DE1252336B

DE1252336B - Lichtbogenplasmabrenner und Verfahren zum Betrieb eines solchen Brenners

Info

Publication number: DE1252336B
Application number: DENDAT1252336D
Authority: DE
Inventors: Columbus Ohio William Morgan Goldberger (V St A)
Original assignee: The Battelle Development Corporation, Columbus, Ohio (V St A)
Priority date: 1964-08-13
Publication date: 1967-10-19
Also published as: GB1072022A; NL6510572A; US3404078A; BE668314A; NO118567B; FR1454459A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

CHRIFT 1252 336 S B \

Int. Cl.:

Deutsche Kl.:

BOIJ 8/42

Nummer: 1252 336

Aktenzeichen: B 83237 VIII c/21 g

Anmeldetag: 12. August 1965

Auslegetag: 19. Oktober 1967

Die Erfindung betrifft einen Lichtbogenplasmabrenner zur Herbeiführung chemischer oder physikalischer Reaktionen in einer Brennkammer, bei dem Feststoffteilchen in das auf hoher Temperatur befindliche Gasentladungsplasma eingebracht werden. S

Plasmabrenner, die insbesondere als Plasmapistolen gestaltet sind, sind bereits bekannt und in der Technik insbesondere zum Aufbringen von Überzügen aus hochschmelzendcn Materialien im Einsatz. So ist z. B. in der Zeitschrift »Ber. Dtsch. Keram. Ges.«, Bd. 39,1962, Heft 2, S. 115 bis 122, auf die Bedeutung eines als Plasmapistole gestalteten Plasmabrenners eingegangen, der als sogenannter »indirekter« Brenner arbeitet, bei dem die Anode zugleich als Düse ausgebildet ist, durch die die Plasmaflamme austritt.

In der Zeitschrift »ETZ«-B, Bd. 15, 1963, Heft 1, S. 6 bis 8, wird in allgemeiner Form auf einen sogenannten »direkten« Plasmabrenner eingegangen, bei dem das Werkstück selbst im Stromkreis als Anode geschaltet ist. Als Einsatzgebiet eines derartigen direkten Plasmabrenners ist dabei hauptsächlich das Plasmalichtbogenschneiden und -schweißen angegeben. In dieser Vorveröflentlichung wird außerdem noch darauf hingewiesen, daß mit dem Lichtbogcnplasma eine Wärmequelle für viele chemische Reaktionen as zur Verfügung steht, ohne daß jedoch angegeben wird, wie der Piasinalichtbogen in diesem Zusammenhang zu benutzen ist.

Es ist bereits bekannt, daß die Verwendung von Wirbelschichten bzw. Fließbetten in unmittelbarem Kontakt mit Plasmabrennern bzw. Plasmabögen wesentliche Vorteile für die Durchführung zahlreicher chemischer und physikalischer Prozesse, die hohe Temperaturen erfordern, mit sich bringt.

Beispielsweise können hochschmelzende Elemente und Verbindungen dadurch als Überzug auf feste Teilchen aufgebracht werden, daß dieses Überzugsmaterial in einem Plasmabrenner geschmolzen und verdampft und dann auf die eine Wirbelschicht bzw. ein Fließbett bildenden festen Teilchen aufgebracht wird, wobei das Plasma das Überzugsmaterial enthält. Das Überzugsmaterial kondensiert und verfestigt sich dann auf der Oberfläche der Teilchen, um den gewünschten Überzug zu bilden.

Zusätzlich zu Überzugverfahren kann die direkte Berührung des Plasmas mit einer Wirbelschicht zur raschen und gesteuerten Abkühlung von chemischen Reaktionsprodukten verwendet werden, die innerhalb des Plasmas entstanden sind. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Verwendung von Fließbetten zur so Agglomeration oder Aiisfiltcrung fester Teile, die bei Reaktionen in Plasmas entstehen können, wodurch

Lichtbogenplasmabrenner und Verfahren zum
Betrieb eines solchen Brenners

Anmelder:

The Bat teile Development Corporation,

Columbus, Ohio (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. W. Schalk, Dipl.-Ing. P. Wirth,

Dipl.-Ing. G. E. M. Dannenberg

und Dr. V. Schmied-Kowarzik, Patentanwälte,

Frankfurt/M., Große Eschenheimer Str. 39

Als Erfinder benannt:
William Morgan Goldberger,
Columbus, Ohio (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 13. August 1964

(389268),

vom 25. Mai 1965 (467 160)

deren Wiedergewinnung erleichtert oder auch eine Erosion oder Verschmutzung anschließend verwendeter Geräte verhindert werden kann.

Die bisher bekannten Verfahren und Vorrichtungen zum Beeinflussen einer Wirbelschicht bzw. eines Fließbettes fester Teilchen durch ein Plasma beruhen auf der Kupplung eines Plasmagenerators mit einem Gefäß, welches das Fließbett enthält, in ähnlicher Weise wie diejenige, in der konventionelle Brenner einem Fließbett zugeordnet werden, um dieses Fließbett mit einer Flamme zu beaufschlagen. Entsprechend der konventionellen Flamme kann der Plasmabrenner so angeordnet werden, daß er die Teilchen des Fließbettes dadurch berührt, daß das Plasma unterhalb des Niveaus des Fließbetts injiziert oder aber abwärts geliftet wird, um die Oberfläche des Fließbettes zu beaufschlagen. Stets war dabei der Plasmagenerator als getrennte vollständige elektrische Einheit mit Kathode und Anode ausgebildet und elektrisch gegenüber dem die festen Teilchen enthaltenden Fließbett isoliert.

Den bisherigen Verfahren zur Erzeugung von Plasmas und ihrer Verwendung zum Beaufschlagen von Fließbetten fester Teilchen haften jedoch Schwie-

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rigkeiten und Nachteile an, die eine wirtschaftliche Ausnutzung dieser Technik für chemische Verfahren in industriellem Maßstab behindern. Wenn beispielsweise eine vorbestimmte feste Elektrodenanordnung aufrechterhalten werden soll, müssen die Elektroden gekühlt werden, um übermäßige Verluste an Elektrodenmaterial durch Schmelzen und Verdampfung zu verhindern. Die Kühlung erfolgt am zweckmäßigsten durch Wärmeabgabe von der Oberfläche an einen Strom von Kühlwasser, was jedoch mit einem erhebliehen Energieverlust verbunden ist. Die Energieverluste bei üblichen Plasmabrennern liegen gewöhnlich bei über 25% der gesamten zugeführten elektrischen Energie. Der größere Teil dieser Verluste entsteht an der Anode und längs des Weges, den die Plasmaflamme vom Plasmägenerator bis zu dem Fließbett zurückzulegen hat. Weitere Schwierigkeiten der bisherigen Verfahren ergeben sich aus dem geringen chemischen Wirkungsgrad und der schlechten Durchführbarkeit von Verfahren, bei denen Reaktions- »o komponenten in das Plasma eingeführt werden müssen. Wenn solche Reaktionskomponenten in die Plasmageneratoren mit dem das Plasma bildenden Gas eingeführt werden, besteht für den Generator und die Elektroden die Gefahr chemischer Angriffe. Solcher- as maßen eingeführte feste Substanzen gefährden die Generatoren auch durch Erosion, Verstopfung und Unterbrechung der Gasströmung, weil die Festteilchen die Tendenz haben, zu schmelzen und an den Generatorteilen zu kleben. Hierdurch kann auch ein elektrischer Kurzschluß entstehen. Um solche Reaktionen überhaupt durchführen zu können, empfiehlt es sich daher, die Reaktionskomponenten und festen Teil bei den bekannten Plasmageneratoren an einer von dem Bereich des gebildeten Plasmabogens stromabwärts gelegenen Stelle einzuführen. Dabei ist im allgemeinen ein sekundärer Gasstrom erforderlich, um feste Komponenten in das Plasma einzuführen. Die dem Plasma durch diesen Sekundärstrom entzogene Wärme reduziert dabei die für die festen *q Komponenten verfügbare Wärme erheblich und kann eine weitere Verminderung des energetischen Wirkungsgrades bedeuten. Außerdem ist es nicht möglich, eine gleichmäßige Dispersion der festen Teile im Plasma zu erreichen, insbesondere wegen der kurzen Verweilzeiten, so daß ein wesentlicher Anteil der festen Komponenten das Plasma wieder verläßt, ohne der gewünschten Reaktion unterworfen gewesen zu sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lichtbogenplasmabrenner zur Herbeiführung ehemischer oder physikalischer Reaktionen in einer Brennkammer zu schaffen, bei dem die oben beschriebenen Nachteile der bekannten Vorrichtungen vermieden werden.

Zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe wird ein Lichtbogenplasmabrenner vorgeschlagen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß der Lichtbogen zwischen einer Feststoffelektrode und der Grenzschicht eines durch Aufwirbeln von elektrisch leitenden Feststoffteilchen mittels eines vertikal gerichteten Gasstromes erzeugten Fließbettes brennt.

Mit Hilfe der Erfindung ergibt sich eine breitere Bogenzone, als dies bei Verwendung bisher bekannter, durch Gas stabilisierter Plasmabrenner zur Erzeugung eines Plasmabogens möglich war. Die ständige Bewegung des Fließbettes bewirkt, daß der Bogen längs weit auseinandcrliegender Einzelstrecken auftritt, wodurch die Heißzone gegenüber den begrenzten Bogen üblicher Plasmabrenner wesentlich erweitert wird. Die verbreiterte Bogenzone wiederum bewirkt einen längeren Aufenthalt der in die Zone eingespeisten Reaktionsteilnehmer, als es bisher möglich war. Ferner ermöglicht der vorliegende Plasmabrenner eine unmittelbare Berührung der Teilchen mit dem Bogen ohne nachteilige Einwirkung auf die Stabilität des Bogens und ohne die Elektroden der Gefahr einer Erosion oder chemischen Angriffen auszusetzen. Schließlich ermöglich die Erfindung einen erhöhten Wirkungsgrad der elektrischen Energie, da eine Kühlung der Elektroden entbehrlich und eine geeignete Wiederverwendung der Wärme ermöglich wird.

Der Plasmabrenner benutzt eine Wirbelschicht elektrisch leitender Teilchen als integralen elektrischen Bestandteil eines Plasmagenerators. Hierdurch wird ein unmittelbarer Kontakt des Plasmas mit den Wirbelteilchen ermöglicht. Infolgedessen erleidet das Plasma keine Energieverluste, wie sie andernfalls auftreten können. Bei bisher bekannten Vorrichtungen beispielsweise mußte das Plasma durch eine gekühlte Leitung von einem getrennten Plasmagenerator zu einem Wirbelbett fester Teilchen übergeführt werden.

Auch können bei dem vorliegenden Plasmabrenner feste Bestandteile oder Komponenten in den Bereich der Bogenbildung eingeführt werden, ohne daß die Gefahr von Verstopfung oder Kurzschlüssen in Kauf genommen zu werden braucht und ohne daß schädliche Auswirkungen auf die Steuerung und Stabilität des Vorganges zu befürchten sind.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf verschiedene Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäß ausgestalteten Lichtbogeribrenners, und zwar zur Herstellung von elementarem Phosphor aus einem phosphorhaltigen Stoff, zur Herstellung von Kalziumkarbid aus Kalk und zur Gewinnung von Azetylen.

Die Erfindung ist nachstehend in einigen Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 schematisch einen Schnitt durch einen Lichtbogenplasmabrenner,

F i g. 2 einen Schnitt durch einen ähnlichen Brenner wie Fig. 1, wobei jedoch eine zusätzliche Elektrode vorgesehen ist,

Fig. 3 eine Variante der Fig. 1, wobei ein Plasmabogen nahe dem Boden des Fließbettes gebildet wird, und

F i g. 4 eine weitere Variante eines Brenners nach Fig. 1, wobei eine Elektrode innerhalb eines in das Fließbett eintauchenden Rohres angeordnet ist.

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines, Lichtbogenplasmabrenners. Hier ist ein Behälter 1 zur Aufnahme eines Fließbettes von elektrisch leitenden Teilchen 2 vorgesehen. Wie aus F i g. 1 hervorgeht, ist der Behälter 1 selbst aus elektrisch leitendem Material hergestellt und bildet einen Teil des elektrischen Stromkreises. Eine Elektrode 3 ist vertikal längs der vertikalen Achse des Behälters 1 angeordnet, und zwar so, daß ihr unteres Ende nicht unmittelbar in Kontakt mit der Grenzschicht des Fließbettes fester Teilchen 2 steht. Gas zur Aufrechterhaltung des Fließbettes im Behälter 1 wird über eine Leitung 4 zugeführt. Der Gasstrom verläßt den Behälter I über einen Auslaß 5. Für die Zufuhr elektrischer Energie ist eine Spannungsquelle 6 vorgesehen, die einen Stromdurchgang zwischen der Elektrode 3 und dem Fließbett 2 bewirkt. Hilfsweise

kann eine Startereinheit 7 vorgesehen werden, die ein hochfrequentes Wechselfeld in Verbindung mit der Spannungsquelle 6 erzeugt, um den elektrischen Bogen zwischen der Elektrode 3 und dem Fließbett 2 zu zünden, oder es kann statt dessen die Zündung auch durch anfängliches Eintauchen der Elektrode in das Fließbett erfolgen, worauf dann die Elektrode 3 wieder angehoben wird, damit zwischen der Elektrode und dem Fließbett ein Spalt entsteht, über den ein elektrischer Bogen zur Erzeugung des Gasplasmas in der Nachbarschaft des Bogens aufrechterhalten werden kann. Feste und sonstige Reaktionskomponenten können in den Bereich des Bogens über ein Rohr 8 eingeführt werden. Auf diese Weise wirkt das Fließbett 2 als die eine Elektrode eines Plasmagenerators, und das Plasma befindet sich in'unmittelbarem und innigem Kontakt mit den Teilchen des Fließbettes, ohne daß, wie bei den früher bekannten Generatoren, Energieverluste für die Überleitung des Plasmas zum Fließbett in Kauf genommen zu werden brauchen. Um einen gewünschten Temperaturbereich im Fließbett 2 aufrechtzuerhalten, muß für eine Wärmeabfuhr gesorgt werden. Hierfür kommen verschiedene Verfahren in Betracht, wie beispielsweise Wärmeabgabe an ein Kühlmittel, das eine Wicklung 9 durchströmt, ferner Wärmeabgabe über die Wandung des Behälters 1, oder es kann Wärme durch Ableitung eines Teils der festen Teilchen aus dem Behälter 1 über einen Auslaß 10 entweder intermittierend oder kontinuierlich abgeführt werden, wobei diesen Teilchen durch nicht dargestellte Hilfsmittel ein Teil ihrer Wärme entzogen wird und dann die Rückführung dieser gekühlten Teilchen in das Fließbett 2 über eine Leitung 12 mit einem Regelventil 13 erfolgt, von wo die gekühlten Teilchen durch das Trägergas dem Behälter 1 wieder zugeführt werden. Ein Ventil 11 ist dem Auslaß 10 zur Steuerung der Menge der dem Behälter 1 zu entnehmenden Festteilchen zugeordnet.

Es ist jedoch nicht erforderlich, daß der Behälter 1 selbst aus elektrisch leitendem Material hergestellt ist. Wie F i g. 2 zeigt, kann der elektrische Stromkreis auch durch eine zweite Elektrode 2a, die in das Fließbett leitender Teilchen eintaucht, vervollständigt werden.

Es ist auch keineswegs erforderlich, daß die Hauptelektrode oberhalb der Oberfläche des Fließbettes angeordnet ist. So zeigt F i g. 3 eine mögliche Anordnung der Hauptelektrode, die hier mit 3a bezeichnet ist, unterhalb des Fließbettes. Durch Aufrechterhaltung einer geeigneten Gasgeschwindigkeit in der Umgebung dieser Elektrode kann jede längere Berührung fester Teilchen mit der Elektrode verhindert werden. Auf diese Weise läßt sich der notwendige Spalt für die Aufrechterhaltung des elektrischen Bogens am Boden des Behälters aufrechterhalten.

Ein besonders vorteilhafter und leistungsfähiger Lichtbogenplasmabrenner ist schematisch in F i g. 4 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist eine Elektrode 3 axial in einem Rohr 14 angeordnet. Das Rohr 14 ist oben um die Elektrode 3 herum geschlossen und taucht mit seinem unteren Ende in das Fließbett 2 ein. Ein Gasstrom, der als Reaktionsteilnehmer und/oder als Trägergas für darin enthaltene feste oder flüssige Bestandteile dienen kann, wind dem Rohr 14 oben über eine Leitung 15 zugeführt. Dieses Gas fließt gegebenenfalls unter entsprechendem Überdruck durch das Rohr 14 um die Elektrode 3 herum abwärts und tritt am Ende des Rohres 14 in das Fließbett ein. Dank der abwärts gerichteten Gasströmung oder der darin wirksamen hydrodynamischen Kräfte bleibt das Rohr 14 im wesentlichen frei von Festteilchen des Fließbettes, obwohl die Grenzschicht des Fließbettes wesentlich höher als das untere Ende des Rohres 14 liegt. Das untere Ende der Elektrode 3 liegt etwas über der Grenzschicht des Fließbettes

ίο leitender Teilchen 2 am unteren Ende des Rohres 14, so daß ein Plasmabogen im Bereich 16 entstehen kann. Die im Rohr 14 abwärts strömenden Gase treten durch den Bereich 16 hindurch in das Fließbett ein, so daß ein inniger Kontakt der Reaktionsprodukte mit den Teilchen des Fließbettes gewährleistet ist. Die Gase steigen dann hoch und werden in bekannter Weise dem Fließbettreaktor entnommen. Für die Beseitigung von Wärme aus dem Fließbett können übliche, hier nicht dargestellte Vorkehrungen

so getroffen sein, insbesondere um eine wirksame Kühlung der gasförmigen Reaktionsprodukte zu erreichen.

Bei Verwendung einer Vorrichtung, wie sie schematisch in F i g. 1 und 2 dargestellt ist, kann ein Teil

«3 der gasförmigen Reaktionsteilnehmer (oder im Gasstrom enthaltener Festteile), die durch das Rohr 8 in den Bereich des PJasmabogens eingeführt werden, den Fließbettreaktor ohne voll ausreichenden Kontakt entweder mit der Zone hoher Temperatur im Bereich des Bogens oder aber mit dem Fließbett verlassen und dadurch nicht vollständig durchreagiert und/oder gekühlt sein. Demgegenüber ergibt offensichtlich eine Vorrichtung nach Art der F i g. 4 einen innigeren Kontakt der durch den Einlaß 15 eingeführten Gase oder Reaktionsteilnehmer sowohl mit dem Plasmabogen als auch mit dem Fließbett 2.

Natürlich muß das Rohr 14 aus einem Material bestehen, das widerstandsfähig gegenüber der Umgebung des Fließbettes und gegenüber den hohen Temperaturen ist, die von der Bogenzone ausgehen. Als besonders geeignet haben sich Rohre aus temperaturbeständigem Siliziumglas und Graphitrohre erwiesen, doch kann auch jedes andere geeignete hitzebeständige Material verwendet werden.

4J Bei allen gezeigten Ausführungsformen nach F ϊ g. 1 bis 4 sind die Elektroden 3 bzw. 3 a vorzugsweise lotrecht einstellbar. Einrichtungen zum lotrechten Einstellen solcher Elektroden sind in der Fachwelt bekannt und brauchen daher hier nicht näher beschrieben oder dargestellt zu werden. Da eine Elektrode von dem Fließbett gebildet wird, kann die feste Elektrode zur Zündung des Bogens in das Bett eingetaucht und dann wieder zurückgezogen werden. Im Falle der Ausführung nach F i g. 4 muß die Elektrode im Rohr 14 vertikal einstellbar sein.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann eine hohle Elektrode verwendet werden. Beispielsweise kann bei den Ausführungsformen nach Fig. 1 bis 3 die Elektrode 3 bzw. 3a hohl sein; die Reaktionsteilnehmer können dann anstatt durch ein Rohr, wie beispielsweise das Rohr 8, durch den hohlen Teil der Elektrode zugeführt werden. Es ist einzusehen, daß auf diese Weise in vielen Fällen eine vollständigere Reaktion wirksam werden kann.

Fließbetten sind keine klar definierten Körper, so daß es schwer ist, den Abstand einer festen Elektrode bezüglich eines solchen Fließbettes genau zu bestimmen. Ein Plasmabogcn kann jedoch stets zwischen einer

feste!) Elektrode und dem Fließbett hergestellt werden, selbst wenn die Elektrode in das Fließbett eintaucht, da dieses nicht aus einem festen Körper, sondern aus einer Masse beweglicher Einzelteile besteht und daher in gewissem Sinne immer ein Abstand zur Oberfläche der Elektrode vorhanden ist. Wenn die feste Elektrode in das Fließbett eintaucht und relativ niedrige Spannungen angelegt werden, fließt ein elektrischer Strom durch das Fließbett selbst, ohne daß ein Bogen entsteht. Bei höheren Spannungen dagegen tritt die Bogenbildung zwischen der Oberfläche der eingetauchten Elektrode und den umgebenden leitenden Teilchen des Fließbettes auf. Ein solcher Bogen kann zur Erzielung von Plasmabogen· reaktionen verwendet werden. Die Elektrode 3 bei Ausführungen nach einer der Fig. 1 bis 4 kann in das entsprechende Fließbett von Teilchen 2 eingetaucht werden, und bei genügend hohen Spannungen kann entlang der Elektrodenoberfläche ein Bogen eingestellt werden, um bei hohen Temperaturen ab- »o laufende Plasmabogenreaktionen zu bewirken. Obwohl vorzugsweise ein Zwischenraum zwischen der Elektrode und dem Fließbett besteht, kann daher gesagt werden, daß die Oberfläche der festen Elektrode benachbart zum Bett der Teilchen anzuordnen ist, »5 wobei das Wort benachbart sowohl die Anordnung der Elektrode mit einem Zwischenraum gegenüber dem Fließbett als auch unmittelbar daran angrenzend und schließlich auch in das Fließbett eingetaucht umfaßt.

Wie schon erwähnt, müssen die Teilchen des Fließbettes in der Lage sein, elektrischen Strom zu transportieren. Hierfür haben sich Graphit- oder Kohleteilchen als geeignet erwiesen, obwohl auch andere Materialien, wie Partikeln von schwer schmelzendem Metall, in manchen Fällen besonders vorteilhaft sein können. Metallkarbide, wie Kalziumkarbid, können gleichfalls die Teilchen des Fließbettes bilden. Oxyde von schwer schmelzenden Metallen, wie Magnesium und Aluminium, werden in der Regel als nicht leitende angesehen und können daher im allgemeinen nicht als Fließbett im Rahmen der Erfindung dienen. Bei hohen Temperaturen und hohen Spannungen sind solche Materialien jedoch in der Lage, elektrischen Strom zu leiten, so daß sie unter besonderen Umständen für ein Fließbett entweder allein oder in Verbindung mit anderen Feststoffpartikeln Verwendung finden können.

Solche Partikeln oder Teilchen können jede für die Bildung einer Wirbelschicht bzw. eines Fließbettes 5<> geeignete Größe haben, werden jedoch im allgemeinen in einer Größenordnung zwischen —8 und +325 mesh liegen, die der am meisten für Fließbetten verwendeten Größenordnung entspricht.

Der vorliegende Lichtbogenplasmabrenner ist wegen der breiteren Bogenzone besonders vorteilhaft für die Durchführung der verschiedensten phsyikalischen und chemischen Materialumwandlungen, die für die Behandlung in Plasmabrennern geeignet sind. Zu den physikalischen Umwandlungen oder Änderungen von Materialien, die der Wirkung eines Plasmabogens im Sinne der Erfindung ausgesetzt sind, gehören beispielsweise die Verdampfung, die Agglomeration, das Anbringen von Überzügen, ferner Kü gelchen formung, Schmelzen, Umwandlung fester Phasen und das Kracken organischer Stoffe. Solche physikalischen und chemischen Umwandlungen erfolgen im Bereich des Plasmabogens bzw. Plasmabrenners. Die Durchführung solcher Umwandlungen vollzieht sich bei Verwendung von Plasmageneratoren ähnlich den in Fig. 1, 2 und 3 gezeigten in folgenden Verfahrensstufen:

1. Einführen elektrisch leitender Partikeln in einen Plasmagenerator.

2. Durch wirbelung der Partikeln mittels eines Gases, welches sich mit den übrigen, im Verfahren zu verwendenden Materialien verträgt. Einige typische hierfür verwendbare Gase sind Argon, Helium, Wasserstoff, Kohlenmonoxyd, Stickstoff oder sonstige Gase, je nach den jeweils gewünschten Ergebnissen. Auch können Mischungen eines oder mehrerer dieser Gase verwendet werden.

3. Herstellung eines Plasmabogens zwischen einer Elektrode und dem Fließbett der elektrisch leitenden Partikeln. Graphit oder andere Formen von Kohlenstoffteilchen können dabei vorzugsweise als elektrisch leitende Partikeln verwendet werden. Andererseits ergeben auch Pulver von feuerfesten Metallen mit hohem Schmelzpunkt oder deren Legierungen als elektrisch leitende Teilchen des Fließbettes befriedigende Ergebnisse.

4. Die Partikeln des Fließbettes in unmittelbarer Umgebung des Plasmabogens können dabei chemische oder physikalische Umwandlungen erfahren, falls die Verfahrensbedingungen auf ein solches Ergebnis gerichtet sind. Wenn das Verfahren dagegen bezweckt, physikalische oder chemische Umwandlungen in anderen Stoffen als denen, aus denen das Fließbett gebildet ist, hervorzurufen, ist es erforderlich, zusätzliche Substanzen in den Plasmabogengenerator einzuführen. Diese Reaktionsteünehmer können durch ein Trägergas oder durch andere physikalische Mittel in den Bereich des Plasmabogens eingebracht werden. Die so eingeführten Reaktionsteilnehmer können aus einem Gas oder einer Gasmischung oder auch aus fester Substanz oder einer Mischung von festen Substanzen und Gasen bestehen, je nachdem, welches Endergebnis erzielt werden soll.

5. Nachdem die physikalische oder chemische Umwandlung der Reaktionsteünehmer im Bereich des Plasmabogens stattgefunden bat, erfolgt die Entnahme des oder der Reaktionsprodukte aus der Vorrichtung.

Der vorliegende Lichtbogenplasmabrenner wurde beispielsweise zur Erzeugung von elementarem Phosphor und zur Erzeugung von Kalziumkarbid verwendet, Eine Vorrichtung ähnlich der schematisch in F i g. 1 gezeigten wurde verwendet, um Phosphor aus Trikalziumphosphat Ca_a(PO₄)₂ zu gewinnen und Kalziumkarbid CaC₂ aus Kalkpulver zu erzeugen. Das Kalkpulver CaO, das dabei verwendet werden kann, darf einen kleinen Anteil an Verunreinigungen, wie Magnesiumoxyd, Eisenoxyd, oder anderen Bestandteilen in solchen kleinen Mengen enthalten, wie sie normalerweise in industriell erzeugtem Kalkpulver enthalten sind. Zwei Beispiele sind nachstehend zur näheren Erläuterung angeführt:

Beispiel 1

Eine Charge aus 42,7 Gewichtsprozent Ca₃(PO₄)J, 24,9 Gewichtsprozent SiO₂ und 32,4 Gewichtsprozent Graphit C für Durchgang durch ein Sieb der DIN Nr. 80 wurde während einiger Stunden mit

*⁵

Wasser vermischt. Das Wasser wurde dan α durch Verdampfen entfernt und der verbleibende Kuchen für den Durchgang durch ein Sieb der DIN Nr. 40 zerkleinert. Dieses Gemisch wurde dann mittels Argon als Trägergas dem Plasma in einem Generator nach Art des in F ί g. 1 gezeigten zugeführt.

Die Bedingungen, unter denen die Phosphatreduktion stattfand, waren:

1. Zufuhrrate von Argon als Gas für die Bildung des Fließbettes = 0,15 m^s/h. ^t0

2. Zufuhrrate von Argon als Trägergas — 0,15 m^s/h.

3. Fließbettgraphit — 135 g mit Durchgang durch Siebe etwa der DIN Nr. 8 (nämlich lichte Maschenweite von 0,84 mm) und Rückstand über einem Sieb der DIN Nr. 30.

4. Temperatur des Fließbettes = 1030 bis 1200"C.

5. Vertikale Mittelelektrode = Wolfram mit einem Durchmesser von 6,3 mm.

6. Dauer = 145 Minuten.

7. Durchschnittliche Förderrate =* 7,50 g/Min. ^ao

8. Eingangsleistung = 1,10 kW.

Der elementare Phosphor P wurde durch die Reaktion frei und durch Kondensation aus den ausströmenden Gasen gewonnen. Die Umwandlung von »5 Phosphat in elementaren Phosphor ergab sich zu 43,1%.

Beispiel 2

Kalziumkarbid CaC₂ wurde aus handelsüblichem Kalkpulver in einem Plasmagenerator ähnlich dem in F i g. 3 schematisch dargestellten gewonnen.

Das verwendete Kalkpulver setzte sich zusammen aus 97,2°/» CaO, 1,18% MgO, 0,47% Fc₈O₃ plus AIjOj und 0,93% SiO_s. Die Korngröße des Kalkpulvere entsprach einem Durchgang durch Siebe etwa der DIN Nr. 8 (nämlich lichte Maschenweitc von 0,84 mm) und Rückstand über einem Sieb der DIN Nr. 30. Es wurde in den Bereich des Plasmabogens von Argon als Trägergas eingeführt. Im Bereich des Bogens wurde Kalziumkarbid erzeugt.

Die Versuchsbedingungen waren:

1. Zufuhrrate von Argon als Wirbelgas = 0,15 m'/h.

2. Zufuhrrate von Argon als Trägergas = 0,15 m'/h.

3. Als Fließbett — 135 g Graphit mit Durchgang durch Siebe etwa der DIN Nr. 8 (nämlich lichte Maschenweite von 0,84 mm) und Rückstand über einem Sieb der DIN Nr. 30.

4. Vertikale Mittelelektrode = Wolfram mit einem Durchmesser von 6,3 mm. **°

5. Durchschnittliche Förderrate = 4,67 g/Min.
.6. Temperatur des Fließbettes = 1715"C.

7. Dauer = 70 Minuten.

8. Eingangsleistung = 2,99 kW.

55

Nach Abschluß wurden die Agglomerate aus karbidüberzogenen Graphitpartikeln gesammelt, und die Analyse ergab eine 24,6 %ige Umwandlung zu CaCj. Die Umwandlung von Kalkpulver zu Kalziumkarbid CaC₄ kann dadurch noch verbessert werden, daß das Kalkpulver vorher mit Kohle gemischt und dann die Mischung in den Plasmagenerator eingeführt wird.

Die beiden obigen Beispiele stellen eine typische

Anwendungsart der Erfindung zur Durchführung chemischer Reaktionen in industriellem Maßstab dar.

Die Gewinnung von elementarem Phosphor und

von Kalziumkarbid CaC₄ mittels des vorliegenden Jüchtbogenplas mabrcnners zeigt nicht nur dessen Anwendbarkeit für die Durchführung chemischer Reaktionen, sondern läßt auch seine Zweckmäßigkeit für die Durchführung physikalischer Umwandlungen von Substanzen erkennen. Diese physikalischen Umwandlungen umfassen unter anderem die Verdampfung, Agglomeration, das Anbringen von überzügen, die Kügelchenformung, Schmelzung und die Umwandlung fester Matcrialphascn. Solche speziellen physikalischen Umwandlungen wurden bei den beiden oben beispielsweise beschriebenen Verfahren zur Gewinnung von Phosphor und von Kalziumkarbid durch folgende Beobachtungen festgestellt:

Beim Beispiel der Phosphorgewinnung wurde unter den angegebenen Arbeitsbedingungen eine Wolframkathode verwendet. Nach Abschluß des Verfahrens konnte festgestellt werden, daß sich sehr feine Partikeln von Kohlenstoff an der Ausgangsleitung der Vorrichtung abgelagert hatten. Daraus ergibt sich, daß Kohle während des Verfahrens verdampft worden war und dadurch zur Ablagerung der kleinen Kohlenstoffpartikeln am Auslaß geführt hatte.

Gleichfalls wurde nach Abschluß des Verfahrens zur Phosphorgewinnung festgestellt, daß die zurückbleibenden Kieselsäureteilchen SiO₂ wesentlich größer als die Kieselsäureteilchen waren, die ursprünglich in den Plasmagenerator eingeführt wurden. Diese Beobachtung zeigt, daß zweifellos als Ergebnis des Verfahrens eine Agglomeration stattgefunden hat.

Zusätzlich zu der offensichtlichen Agglomeration ergab sich aus dem Aussehen der Kieselsäureteilchen, daß diese geschmolzen gewesen waren, woraus sich ergibt, daß beiüglich des SiO₄ sowohl ein Schmelzvorgang als auch ein Vorgang der Widerkristallisation stattgefunden hat.

Die kugelige Gestalt der untersuchten SiO₂-Teilchen bestätigt weiter, daß eine Kügelchenformung als Ergebnis des Verfahrens eintreten kann.

Bei der Untersuchung der Erzeugnisse des Verfahrens zur Kalziumkarbidgewinnung wurde festgestellt, daß sich ein Überzug von CaC₁ auf Kohlekernen gebildet hatte. Die Größe der mit CaC, überzogenen Teilchen war plus 35 mesh, also wesentlich größer als die der Kalkpulverteilchen, die dem Plasmagenerator zugeführt worden waren. Dies zeigt, daß der vorliegende Lichtbogenplasmabrenner sich zum Anbringen von Überzügen eignet.

Das Schmelzen und Wiederkristallisieren von Siliziumoxyd zu größeren Einzelkristallen beim Beispiel der Phosphorgewinnung zeigt schließlich, daß der vorliegende Lichtbogenplasmabrenner zur Umwandlung fester Materialphasen verwendet werden kann.

Die kritischen Größen zum Betrieb des Lichtbogenplasmabrenners werden durch die Substanzen des Fließbettes bestimmt. Zu diesen kritischen Größen gehören die Beziehung zwischen elektrischem Strom und elektrischer Spannung, die Zufuhrrate des Gases zur Bildung des Fließbettes und die auftretenden Temperaturen. Selbstverständlich sind diese kritischen Parameter für die einzelnen Prozesse unterschiedlich und beispielsweise anders bei der Herstellung von elementarem Phosphor als bei der Erzeugung von Kalziumkarbid, ZyanwasserstorTsäure oder anderen Substanzen. Jedes chemische System hat seine eigenen charakteristischen Größen für diese kritischen Parameter.

Weitere Anwendungsmöglichkeiten des Brenners lassen sich bei der Herstellung von Azetylen aus gas-

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förmigen Reaktionskomponenten erkennen. Azetylen wurde dadurch gewonnen, daß Methangas einer erfind ungsgemäßen Vorrichtung gemäß F i g. 4 mit Plasmabogen und Fließbett ausgesetzt wurde. Andereri seits konnte Azetylen auch in der gleichen Vorrichtung durch Behandlung von gasförmigem Wasserstoff und Kohle im Plasmabogen gewonnen werden.

Der verwendete Brenner gemäß F i g. 4 weist ein Kohlerohr von 5,04 cm Innendurchmesser auf, das senkrecht in eine öffnung einer Hartglaskuppel (Pyrexkuppel) eines Fließbettbehälters aus rostfreiem Stahl eingesetzt war. Im unteren Teil des Behälters wird ein Fließbett aufrechterhalten. Der untere Teil der Rohrelektrode erstreckt sich ein Stück in das Fließbett hinein. Eine Graphitelektrode von 1,27 cm Durchmesser erstreckt sich axial durch das Kohlerohr in den Reaktor. Das Kohlerohr ist oben um die Elektrode herum geschlossen, und es ist oben am Rohr ein Einlaß für Gas vorgesehen. Eine Gleichstromquelle ist so angeschlossen, daß das Wirbelbett die Anode und die Graphitelektrode die Kathode bildet.

Der Brenner wird durch Erzeugung eines Bogens in der Nähe des unteren Endes von dem Kohlerohr gezündet, während das Fließbett durch strömendes Argon aufrechterhalten wurde. Reaktionsgas wird durch das Kohlerohr von oben und auch durch den Boden des Reaktors hindurch eingeführt. Kohle zur Reaktion mit Wasserstoff zur Bildung von Azetylen (wobei Wasserstoff das Reaktionsgas war) wird von den Kohleteilchen des Fließbettes geliefert. Die Stabilität des Bogens wird durch Verwendung von zwei Miller-Hochspannungsgleichstromqucllen erreicht. Es zeigt sich, daß reines Methan ohne Erlöschen des Bogens verwendet werden kann, wenn am offenen Stromkreis eine Spannung von 600 V zur Verfügung steht.

Das während mehrerer Versuchsreihen erzeugte Azetylen liegt zwischen 0,2% bei Zufuhr von reinem Wasserstoff und 1 bis 2°/o bei Zufuhr von reinem Methan. Die nachstehende Tabelle zeigt die Ergebnisse auf einer von inertem Gas freien Basis.

Massenspektrographische Analyse
der von einem Plasmafiießbett abströmenden Gase

Komponente	Zusammen setzung der abströmenden Gase,«/, Naturgaszufuhr	Zusammen setzung der abströmenden Gase,·/, Wasserstoff .
Methan Wasserstoff :.. Azetylen Äthylen oder Äthan	51,0 40,5 4,9 3,6	99,4 . 0,6

Die in der Tabelle für die Verwendung von Naturgas angegebenen Werte entsprechen einer Zufuhrrate von 1,20 m³/h Argon und 0,255 m'/h Naturgas sowie einer Eingangsleistung von 8 kW.

Während des in der Tabelle wiedergegebenen Versuchs wurden 30% des Methans gekrackt, und 13,3% der theoretischen Umwandlung von Methan zu Azetylen wurden bei einer spezifischen Eingangsleistung von etwa 56,9 kWh/kg C₂H₈ erzielt. Diese Ergebnisse sind charakteristisch, da über 50% des Methans zusammen mit dem Gas für das Fließbett durch den Boden des Reaktorgefäßes eingeführt wurden und der größere Teil dieses Gases an dem Bereich des Bogens vorbeiging. Der Anteil des Gases, der von oben durch das Kohlerohr zugeführt wurde, unterlag zweifellos einem wesentlich höheren Prozentsatz an Umwandlung zu Azetylen als der in der Tabelle wiedergegebene Durchschnitt.

Claims

Patentansprüche:

ie 1, Lichtbogenplasmabrenner zur Herbeiführung

chemischer oder physikalischer Reaktionen in einer Brennkammer, bei dem Feststoffteilchen in das auf hoher Temperatur befindliche Gasentladungsplasma eingebracht werden, dadurch gekenn·

ts zeichnet, daß der Lichtbogen zwischen einer Feststoffelektrode und der Grenzschicht eines durch Aufwirbeln von elektrisch leitenden Feststoffteilchen mittels eines vertikal gerichteten Gasstromes erzeugten Fließbettes brennt.
2. Lichtbogenplasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffelektrode vertikal von oben in die Brennkammer gerichtet ist.
3. Lichtbogenplasmabrenner nach Anspruch 1, as dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffelektrode vertikal von unten in die Brennkammer gerichtet ist.
4. Lichtbogenplasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffelektrode innerhalb eines sich in die Brennkammer erstreckenden Rohres so angeordnet ist, daß der Bogen innerhalb des Rohres brennt, und daß eine Einrichtung zum Zuführen von Stoffen in das Rohr oberhalb des Bogenbcreichcs vorgesehen ist.
5. Lichtbogenplasmabrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr und die Feststoffelektrode sich vertikal von oben her in die Brennkammer hinein erstrecken.
6. Lichtbogenplasmabrenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 2, 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffelektrode · in der Brennkammer in vertikaler Richtung verschiebbar ist.
7. Lichtbogenplasmabrenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer zum Abführen erhitzter Erzeugnisse aus dem Fließbett Entnahmeöffnungen aufweist.
8. Verfahren zum Betrieb eines Lichtbogen-.·.: plasmabrenners nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 zur Herstellung von elementarem Phosphor aus einem phosphorhaltigen Stoff, dadurch gekennzeichnet, daß nach Herstellen eines elektrischen Lichtbogens zwischen der Feststoffelektrode und dem Fließbett aus elektrisch leitenden Teilchen eine Mischung von Teilchen des phosphorhaltigen Stoffs, von Kieselerde und von einem kohlenstoffhaltigen Material in den Bereich hoher Temperatur des Lichtbogens eingeführt wird, so daß der Phosphor als gasförmiges Reaktionserzeugnis frei wird und die Reaktionserzeugnisse in innige Berührung mit den Teilchen des Fließbettes geraten, und daß anschließend der elementare Phosphor aus dem Fließbett abgeleitet und kondensiert wird.
9. Verfahren zum Betrieb eines Lichtbogenplasmabrenners nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 zum Herstellen von Kalziumkarbid aus Kalk, dadurch gekennzeichnet, daß nach

Herstellung eines elektrischen Lichtbogens zwischen den Feststoffelektroden und einem Fließbett aus Kohleteilchcn Kalk in Form kleiner Teilchen in den Bereich hoher Temperatur des Lichtbogens eingeführt wird, um die Zersetzung des Kalks δ herbeizuführen und diesen in innige Berührung mit den Kohleteilchen des Fließbettes zu bringen, und anschließend das als Reaktionserzeugnis gebildete Kalziumkarbid aus dem Fließbett abgeführt wird. ίο
10. Verfahren zum Betrieb eines Lichtbogenplasmabrenners nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 zum Kracken von Methangas zur Gewinnung von Azetylen, dadurch gekennzeichnet, daß nach Herstellen eines elektrischen Lichtbogens zwischen einer Feststoffclektrode und einem Fließbett aus elektrisch leitenden Teilchen Methan in den Bereich hoher Temperaturen des Bogens eingeführt wird, wobei mindestens ein Teil des Methans gekrackt und zu Azetylen umgeformt so

wird, das dann als Reaktionsprodukt in innige Berührung mit den Teilchen des Fließbettes gelangt, von wo es abgeführt wird.
11. Verfahren zum Betrieb eines Lichtbogenplasmabrehners nach.einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 zum Herstellen von Azetylen, dadurch gekennzeichnet, daß nach Herstellen eines elektrischen Lichtbogens zwischen einer Feststoffelektrode und einem Fließbett aus kohlehaltigen Teilchen Wasserstoff in den Bereich hoher Temperaturen des Bogens eingeführt wird, wobei ein Teil des Wasserstoffs mit wenigstens einem Teil der Kohle aus den Teilchen des Fließbettes Azetylen bildet, das dann aus dem Fließbett abgeführt wird.

InBetracht gezogene Druckschriften:
ETZ.-B., Bd. 15, 1963, Heft 1, S. 6 bis 8;
Ber. Dtsch. Keram. Ges., Bd. 39, 1962, Heft 2, S. 115 bis 122.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 678/342 10.67 φ Bundeedruckerel Berlin