Das Verfahren zur Erzeugung von Soda kann angewendet werden in Sodawerken, die nach dem Solvay-Prozess arbeiten und die den Stoffaustausch zwischen Kochsalz und Kalkstein mit Hilfe von Ammoniak und den Prozessstufen

• – Brennen von Kalkstein mit organischen Brennstoffen und Luft unter Abgabe von kohlendioxidreicher Kalkbrenngase und Kalziumoxid
• – stufenweises Auswaschen von Kohlendioxid aus dem Kalkbrenngas im Nassteil des Sodaprozesses mit Hilfe von ammonikalischer Kochsalzlösung
• – Abscheiden von Natriumhydrogenkarbonat aus der Bikarbonatsuspension durch Fällen und Filtern
• – Waschen des aus dem Nassteil austretenden Endgases und der Filterabluft mit Kochsalzreinsole

Der Stand der Technik des Verfahrens zur Herstellung von Soda nach dem Solvay-Verfahren wurde von Z. Rant in "Die Erzeugung von Soda nach dem Solvay-Prozess", F.-Enke-Verlag, Stuttgart 1968[1] beschrieben, sowie stofflich und energetisch bilanziert.

Demnach ist der Stand der Technik der Sodaproduktion gekennzeichnet durch einen schlechten energetischen Wirkungsgrad, verbunden mit einer großen Menge von Abgasen, die die Umwelt insbesondere mit Kohlendioxid und Ammoniak belasten. Je 1000 kg verkaufsfähiger Soda werden zum Beispiel allein aus der Prozessstufe "Kalkbrennen" direkt und indirekt über den Endgaswäscher 260 kg Kohlendioxid an die Umgebung abgeführt. Die Erzeugung des erforderlichen Prozessdampfes und der Elektroenergie sorgt außerdem für die Abgabe weiterer 300 kg Kohlendioxid an die Umgebung. Während in der Kältetechnik sorgsam die Verwendung von Ammoniak geprüft wird, emittiert eine Sodafabrik nach dem Solvay-Verfahren mit dem Endgas und der Filterabluft mindestens 0,4 kg Ammoniak je 1000 kg Soda. Bei einer Jahresproduktion von 500 kt sind das 200 t Ammoniak, die jährlich an die Umgebungsluft abgegeben werden.

Ammoniakemissionen zu fahren und die ihrerseits nun zu einem vollständig neu organisierten und verbesserten Produktionsprozess zur Herstellung von Soda aus Kochsalz und Kalkstein führt, wobei die Ammoniakemission auf nahezu Null minimiert wurde.

Der Stand der Technik lehrt somit nicht, wie die Ammoniakabgabe im Solvay-Prozess unterbunden werden kann. Es besteht daher aus Umweltgesichtspunkten ein langjähriges Bedürfnis zur Lösung dieses Problems.

Das Ziel dieser Erfindung ist die Vermeidung der Ammoniakemission in die Umgebungsluft durch Endgas aus dem Nassteil und Filterabluft der Sodaproduktion nach dem Solvay-Prozess.

Aus dem erfinderischen Ziel leitet sich die zu lösende technische Aufgabe ab, die darin besteht, verfahrenstechnische Maßnahmen vorzuschlagen, die zur Reduzierung der ammoniakhaltigen Abgase führen, und deren thermische Nachbehandlung, verbunden mit einer Umwandlung von Ammoniak in Stickstoff und Wasser, ermöglichen.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einem Verfahren, dass die Merkmale des Hauptanspruches aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.

Damit wird dem Nassteil gegenüber dem Stand der Technik in Bezug auf Kohlendioxid von 53 auf größer 95 Masse % angereichertes und im Massestrom auf 54 % reduziertes Kalkbrenngas zugefahren.

Zur Vermeidung von negativen Auswirkungen auf die chemischen Prozesse im Nassteil, insbesondere lokaler Art und auf die Ausbildung der Natriumhydrogenkarbonatkristalle wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, gegebenenfalls einen Teilstrom des Abgases aus dem Endgaswäscher zu rezirkulieren und diesen den Sorptionsstufen des Nassteiles selektiv zuzuführen.

Probleme können sich auch durch den Austausch der Luft durch technischen Sauerstoff im Kalkbrennprozess ergeben, insbesondere die Brenntemperatur und die Temperaturführung im Kalkbrennprozess betreffend.

Aus der US 1,384,141 (1) ist ein Verfahren zur Herstellung von Soda und Ammoniumchlorid mit Hilfe von Ammoniak, Kohlendioxid und Kochsalzlösung bekannt. Das notwendige Kohlendioxid wird dabei durch die teilweise Oxidation von auf dem Wege eines Wassergas-Prozesses hergestellten Kohlenmonoxids erhalten, wobei es gerade als besonders vorteilhaft herausgestellt wird, auf den Einsatz von Kalk zur Rückgewinnung von Ammoniak und Kalkstein zur Kohlendioxidbereitstellung verzichten zu können. Die US 1,384,141 betrifft damit nicht ein Verfahren zur Herstellung von Soda durch Stoffaustausch zwischen Kochsalz und Kalkstein, wie die in vorliegender Erfindung sondern einen völlig anderen technischen Prozess, bei dem Ammoniak verbraucht wird, während in dem vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahren kein Ammoniak verbraucht sondern sogar nahezu vollständig innerhalb des Verfahrens im Kreisprozess gefahren werden könnte.

Durch den Einsatz von Kohlenmonoxid aus einem Wassergas-Prozess und den Zusatz von CO₂-haltigem Gas aus der Calzinierung von Bicarbonat wird zwar ein Prozessgas zur Sodaherstellung mit reduziertem Stickstoffpartialdruck bei gleichzeitig erhöhtem CO₂-Partialdruck erhalten und damit der Austrag von Ammoniak aus dem Prozess bei gleichbleibender Stickstoff-Beladung teilweise reduziert, es gelingt jedoch auch in diesem Fall nicht zu verhindern, dass Ammoniak an die Umgebung abgegeben wird, da immer noch ein hoher Anteil von Stickstoffballast im Prozessgas durch die Verwendung von Luft als Oxidans enthalten ist. Zudem ergeben sich aus der Anwendung eines völlig anderen technischen Prozesses unter Einsatz anderer Ausgangsstoffe, d. h. aus dem Verzicht auf Kalk und Kalkstein zur Sodaherstellung für den Fachmann keine Hinweise für die Verbesserung der Kalkstein-Kochsalz-Sodaproduktion, deren Abgasminimierung der in Rede stehenden Erfindung zugrunde liegt.

In "Ullmanns Enzyklopädie der Technischen Chemie", 3. Aufl. (1960), Bd. 12, S. 652–653) wird angegeben, dass die aus dem Massenwirkungsgesetz abgeleitete allgemeine Lehre, dass die Fällung des Hydrogenkarbonates umso wirksamer ist, je höher die Kohlendioxidkonzentration ist, eine Anleitung zum technischen Handeln und damit Herausforderung für die ständige Verbesserung des Standes der Technik, durch nacharbeitbare verfahrenstechnische Lösungen gegeben. Um eine ebensolche handelt es sich bei der vorliegenden Erfindung, da es bisher nicht gelungen ist die Kalkstein-Kochsalz-Sodaproduktion im wesentlichen frei von Erfindungsgemäß wird dem begegnet, indem ein Teilstrom des mit technischem Sauerstoff hergestellten Kalkbrenngases, der dem Massestrom des bei der Herstellung des technischen Sauerstoffes aus Luft abgetrennten Stickstoff annähernd entspricht, rezirkuliert und dem technischen Sauerstoff vor Eintritt in den anteiligen Kalkbrennprozess zugemischt wird.

Aus den von Z. Rant (1) erstellten Bilanzen für Kohlendioxid und Kalziumoxid ergibt sich, dass nur rund 65% des beim Stand der Technik erzeugten Kalkbrenngases mit Hilfe von Kompressoren dem Nassteil des Sodaprozesses zugefahren, während 100% des gebrannten Kalkes im Prozess benötigt werden.

Der Bilanzbedarf an Kohlendioxid kann somit gedeckt werden, wenn nur 65% des Kalkbrenngases erfindungsgemäß mit technischem Sauerstoff hergestellt werden, während 35% des Kalkbrenngases weiterhin konventionell mit Luft hergestellt werden können.

Erfindungsgemäß wird dieser Teil des Kalkbrennens oder ein anderer thermischer Prozeß, wie eine Kessel- oder Gasturbinenfeuerung, zur thermischen Nachbehandlung der ammoniakhaltigen Abgase aus dem Endwäscher des Naßteiles und dem Wäscher für Abluft aus der Bikarbonatsuspensionsfilterung benutzt. Bei einem für das Kalkbrennen und die Kessel- oder Gasturbinenfeuerungen üblichen Temperaturniveau von über 1000 Grad C wird Ammoniak thermisch gespalten zu Stickstoff und Wasserstoff mit nachfolgender Reaktion des Wasserstoffes mit Luftsauerstoff zu Wasser.

Das erfinderische Ziel, Senkung der Ammoniakemission, gebunden an die verfahrenstechnischen Abgase der Sodaproduktion nach dem Solvay-Verfahren auf praktisch "Null" wird mit den erfinderischen Maßnahmen erreicht.

Der volkswirtschaftliche Vorteil der Erfindung liegt in der Senkung der Umweltbelastung durch Ammoniak sowie in der Erschließung von Möglichkeiten zur Leistungssteigerung des Naßteiles in bestehenden Sodafabriken durch Anhebung des Kohlendioxidpartialdruckes in dem Teil des Kalkbrenngases, der für den Stoffaustausch bei der Sodaproduktion verwendet wird.

Die Beschreibung des Ausführungsbeispieles erfolgt mit Hilfe des vereinfachten technologischen Schemas aus 1, indem drei zueinander parallel arbeitende Kalkbrennöfen (1) und (5) mit ihren Zuführungen für Kalkstein (KS) 2, Koks (K) 3 technischen Sauerstoff (O₂tech.) 4, Luft (L) 5 und Abgas aus dem Endgaswäscher (EG) 6, über die auch Filterabluft (FL) 7 aus dem Sodaprozeß dem Kalkbrennen zugefahren werden kann, den Leitungen für die Rückführung von Kalkbrenngas (RG) 8 sowie die Abführung des Brennkalkes (CaO) 9 dargestellt wird.

Für die quantitative Beschreibung des Ausführungsbeispieles werden die von Z. Rant in "Die Erzeugung von Soda nach dem So1vay-Prozeß", F. Enke Verlag, Stuttgart 1968, veröffentlichten Bilanzen der Stoff- und Energieströme des Sodaprozesses verwendet. Demnach werden zur Herstellung von 1000 kg verkaufsfähigem Soda z.B. ca.

1140 kg Kalkstein

90 kg Koks (67 kg Kohlenstoff)

810 kg Luft (188 kg Sauerstoff) für das Kalkbrennen

2800 KWh Brennstoffwärme für Dampf und Elektroenergie im Dampfkraftwerk

2000 kg Luft für die Dampfkesselfeuerung

benötigt.

Für die Beschreibung der Erfindung ist relevant, daß das Kalkbrennen 720 kg gebrannten Kalk und 1350 kg Kalkbrenngas produziert, wovon ca. 870 kg mit Hilfe von Kompressoren dem Naßteil des Sodaprozesses zugefahren und 480 kg, also rund 35,5 Masse i über die Abgasleitung 10 an die Umgebung abgegeben werden.

Mehr als 46 Masse % des Kalkbrenngases sind Stickstoff mit geringem Anteil Sauerstoff. Bezogen auf Stickstoff beträgt der Sauerstoffanteil 1,5 Masse %.

Ersetzt man nun erfindungsgemäß ca. 525 kg Luft durch 130 kg technischen Sauerstof mit einem Stickstoffanteil von ca. 9 kg und verwendet diesen zum Brennen von ca. 65% des Kalksteines, dann reduziert sich die Menge des Kalkbrenngases (KBG), die dem Naßteil (2) zugeführt werden muß, von 870 auf 470 kg. Das erforderliche Kohlendioxidangebot von 450 kg/1000 kg Soda wird gesichert, da der Kohlendioxidanteil im mit technischem Sauerstoff hergestellten Kalkbrenngas gegenüber dem Stand der Technik von 53 auf 95 Masse % durch das erfindungsgemäße Verfahren steigt.

Wenn beim Stand der Technik ca. 567 kg Gas aus dem Endgaswäscher (3) an die Umgebung abgegeben werden, dann reduziert sich dieser Massestrom durch das erfinderische Verfahren auf unter 120 kg und damit der Ammoniakausstoß aus dem Endgaswäscher von 0,3 bis 1,5 auf ca. 0,06 kg.

Diese Reduzierung des Massestromes ermöglicht die Zuführung des Abgases aus dem Endgaswäscher (3) zur Verbrennungsluft, die verwendet wird im konventionellen Teil des Kalkbrennens. Der an die Umgebung abzuführende Massestrom konventionellen Kalkbrenngases erhöht sich damit von 430 kg auf annähernd 600 kg. Es ist auch denkbar, die 120 kg Gas aus dem Endgaswäscher (3) mit der Abluft des Filterluftwäschers (4) zu vermischen, deren Masse Rant in [1] mit 560 kg angibt, und dieses Gemisch zum Kalkbrennen im konventionellen Teil zu verwenden.

Das Ammoniak im Endgas und in der Filterabluft wird in den heißen Zonen des Kalkbrennens sicher zersetzt, so daß das Ziel der Erfindung, Senkung der Ammoniakemission durch verfahrensbedingte Abgase des Solvay-Prozesses zur Sodaproduktion auf praktisch "Null", erreicht wird.