BE1030238B1

BE1030238B1 - Flugstromcalcinator

Info

Publication number: BE1030238B1
Application number: BE20225067A
Authority: BE
Inventors: Hildebrandt Sven Dr
Original assignee: Smidth As F L
Priority date: 2022-02-01
Filing date: 2022-02-01
Publication date: 2023-08-28
Also published as: BE1030238A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Flugstromcalcinator 1 mit einer ersten Brennkammer 10, wobei die erste Brennkammer 10 eine erste Brennvorrichtung 12 aufweist, wobei der Flugstromcalcinator 1 eine Materialzuführung 14 in die erste Brennkammer 10 aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Flugstromcalcinator 1 eine zweite Brennkammer 20 aufweist, wobei die zweite Brennkammer 20 unterhalb der ersten Brennkammer 10 angeordnet ist, wobei die zweite Brennkammer 20 eine zweite Brennvorrichtung 22 aufweist, wobei zwischen der ersten Brennkammer 10 und der zweiten Brennkammer 20 eine Einschnürung 30 angeordnet ist.

Description

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Flugstromcalcinator

Die Erfindung betrifft einen Flustromcalcinator, der eine besonders gezielte Einstellung der Temperatur der Initialreaktion des thermisch zu behandelnden mineralischen

Materials ermöglicht.

Zum einen besteht bei schwankenden Materialaufträgen das Problem, die Temperatur am Materialeintrittspunkt in den Calcinator exakt einzustellen. Da zur Aufrechterhaltung der Strömungsverhältnisse die Gasströmung nicht proportional zum Materialauftrag geändert werden kann, ist gerade bei geringem Materialauftrag es gegebenenfalls schwierig, die für die Reaktion notwendige Energie zur Verfügung zu stellen (über den

Brennstoff und dabei die richtige Temperatur einzustellen).

Des Weiteren besteht ein Interesse, bei der thermischen Behandlung, einen kurzen initialen Behandlungsschritt bei einer sehr hohen Temperatur durchzuführen. Dieses kann beispielsweise sinnvoll sein, um die äußerste Schicht der Partikel des mineralischen

Materials anzuschmelzen, was einen Einfluss auf die Produkteigenschaften wie

Reaktivität hat.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Flugstromcalcnator zu schaffen, bei dem eine besonders kontrollierte Temperatureinstellung möglich ist. Ein weiteres Augenmerk liegt hierbei darin eine hohe Temperatur beim Eintritt des Materials in den Caclcinator zu erreichen, ohne dass das Material durch eine ausgeformte Flamme fällt.

Gelöst wird diese Aufgabe durch Flugstromcalcinator mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie das Verfahren mit den Anspruch 10 angegebenen

Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.

Der erfindungsgemäße Flugstromcalcinator weist eine erste Brennkammer auf. Die

Brennkammer weist üblicherweise einen im Vergleich zum restlichen Flugstromcalcinator vergrößerten Durchmesser auf. Die erste Brennkammer weist eine erste

Brennvorrichtung auf. Die erste Brennvorrichtung dient dazu, die thermische Energie für die thermische Behandlung eines mineralischen Stoffes, beispielsweise Kalk oder

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Lithiumerz, bereit zu stellen. Dieses kann beispielsweise durch Zuführung von Erdgas und eine Verbrennung mit der von unten einströmenden Luft erreicht werden. Der

Flugstromcalcinator weist eine Materialzuführung in die erste Brennkammer auf. Über die

Materialzuführung wird das thermisch zu behandelnde Material, meist ein mineralisches

Material, beispielsweise Kalk oder Lithiumerz, zugeführt.

Erfindungsgemäß weist der Flugstromcalcinator zusätzlich eine zweite Brennkammer auf. Die zweite Brennkammer unterhalb der ersten Brennkammer angeordnet. Die zweite

Brennkammer weist eine zweite Brennvorrichtung auf. Wesentlich ist, dass zwischen der ersten Brennkammer und der zweiten Brennkammer eine Einschnürung angeordnet ist.

Der Effekt dieser Anordnung ist nun, dass der von unten eintretende Gasstrom in der zweiten Brennkammer zunächst erhitzt wird und so auf eine gewünschte Temperatur gebracht werden kann mit der der Gasstrom dann aus der zweiten Brennkammer durch die Einschnürung in die erste Brennkammer eintritt. Damit stellt die zweite Brennkammer die Temperatur für die initiale Reaktion des mineralischen Materials ein, welche je nach

Edukt und Zielprodukt sehr unterschiedlich ausfallen kann.

In der ersten Brennkammer wird die erzeugte Energie primär dazu genutzt, die benötigte

Energie für die thermische Behandlung und damit für die im mineralischen Material ablaufenden chemischen Prozesse zur Verfügung zu stellen. Beispielsweise kann hierdurch die Temperatur gehalten werden. Ein Vorteil ist, dass die Menge der

Brennstoffzufuhr und damit der erzeugten Wärmemenge in der ersten Brennkammer direkt an die Menge des zugeführten mineralischen Materials gekoppelt werden kann, die

Temperatur also unabhängig davon über die Brennstoffzufuhr zur zweiten Brennkammer eingestellt werden kann. Dieses entkoppelt die Prozessparameter (Reaktionstemperatur) und die Umsatzmenge und führt somit unabhängig vom Durchsatz zu einem gleichbleibenden Produkt. Gleichzeitig ist es dadurch möglich, am Eintritt zur ersten

Brennkammer eine sehr hohe Temperatur einzustellen, um eine erste Behandlungsstufe bei hoher Temperatur zu ermöglicht, die weit Über dem liegen kann, wofür der restliche

Flugstromcalcinator oder andere Anlagenkomponenten ausgelegt sind.

Um dieses zu erzielen ist die Einschnürung wesentlich. Durch den in der Einschnürung geringeren Querschnitt ist dort die Strömungsgeschwindigkeit höher als in der ersten

Brennkammer (und auch in der zweiten Brennkammer). Da aber somit das am

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Materialeintrag eingebrachte Material beim Fallen im Bereich der Einschnürung auf eine höhere Strömungsgeschwindigkeit trifft, wird verhindert, dass das mineralische Material in die zweite Brennkammer durchsackt (in diese gelangt). Dadurch wird verhindert, dass die Temperatur in der zweiten Brennkammer durch die chemischen Prozesse bei der thermischen Behandlung des mineralischen Materials beeinflusst werden.

Durch die Aufteilung des Brennerraumes in zwei Brennkammern lassen sich zudem zwei unterschiedliche Verbrennungsraummilieus realisieren, was ebenfalls ein Vorteil zu einem einzigen zusammengefassten Verbrennungsraum darstellt. Hierdurch wird durch den deutlichen Sauerstoffüberschuss in der zweiten Brennkammer ein lokaler Ausbrand des Brennstoffes, mit der möglichen Bildung einer Flamme, vor Eintritt in die erste

Brennkammer sichergestellt. Dieses ermöglicht eine sichere Überwachung des

Ausbrandes, selbst wenn die von unten eintretende Verbrennungslufttemperatur unterhalb der Zündtemperatur des Brennstoffes liegt. In der darüber liegenden ersten

Brennkammer ermöglicht dann die Gastemperatur deutlich oberhalb der Zündtemperatur des Brennstoffes einen Betrieb nahe des stöchiometrischen Sauerstoffbedarfes. Durch deutlich gesenkten Sauerstoffgehalt und das Einbringen des Materials in die erste

Brennkammer, kommt es zudem einer vorzugsweise flammenlosen Oxidation des

Brennstoffes, welche sich zum Teil auch über die Calcinierleitung, den sich oberhalb der ersten Brennkammer erstreckenden Teil des Calcinators, auch Calcinator-Steigleitung, erstreckt und so einen homogenen Temperaturverlauf über den Prozessraum erzeugt.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung beträgt die horizontale

Querschnittsfläche der Einschnürung weniger als 75 %, bevorzugt weniger als 50 %, der horizontalen Querschnittsfläche der ersten Brennkammer. Bevorzugt beträgt die horizontale Querschnittsfläche der Einschnürung weniger als 50 % bis 20 %, besonders bevorzugt weniger als 50 % bis 35 %, der horizontalen Querschnittsfläche der ersten

Brennkammer.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist innerhalb oder direkt unterhalb der

Einschnürung ein zweiter Temperaturmesser angeordnet. Hierdurch ist es möglich, die

Temperatur im Gasstrom am Eintritt in die erste Brennkammer gezielt und vollständig unabhängig von der Menge des aufgegebenen mineralischen Materials einzustellen.

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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der zweite Temperaturmesser mit einer Regelungseinheit verbunden. Die Regelungseinheit ist zur Regelung der

Brennstoffzufuhr zur zweiten Brennvorrichtung ausgebildet. Hierdurch wird eine automatische Regelung ermöglicht, welche insbesondere eine konstante Temperatur ermöglicht. Es ist auch möglich, gezielte Temperaturprogramme zu fahren, beispielsweise um unterschiedliche Produkte zu erzeugen.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Einschnürung Leitelemente zur Verwirbelung des Gasstromes auf. Die Leitelemente können beispielweise in Form von gewindeartig eingebauten Leitblechen ausgebildet sein. Durch die Leitelemente wird insbesondere eine Rotation der Gasströmung erreicht.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Gaseintritt in die zweite

Brennkammer Leitelemente zur Verwirbelung des Gasstromes auf. Die Leitelemente können beispielweise in Form von gewindeartig eingebauten Leitblechen ausgebildet sein. Durch die Leitelemente wird insbesondere eine Rotation der Gasströmung erreicht.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Brennvorrichtung zur

Verbrennung von festen Brennstoffen, insbesondere von Ersatzbrennstoffen, ausgebildet. Hierfür kann die zweite Brennvorrichtung auch seitlich an der zweiten

Brennkammer angeordnet sein.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Flugstromcalcinators. In der zweiten Brennkammer wird eine

Gastemperatur von über 1100 °C, bevorzugt von 1200 °C bis 1450 °C, besonders bevorzugt von 1350 °C bis 1450 °C, erzeugt. Es sind somit in diesem Übergangsbereich und damit als initiale Temperatur für die Behandlung des mineralischen Materials vergleichsweise hohe Temperaturen möglich, welche beispielsweise ein oberflächliches

Anschmelzen ermöglichen können und so zu anderen Produkteigenschaften führen können.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung verlässt der Gasstrom den

Flugstromcalcinator mit einer Temperatur von höchsten 1100 °C bis 1200 °C.

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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die erste Brennvorrichtung in

Abhängigkeit der durch die Materialzuführung zugeführten Materialmenge gesteuert.

Durch die Verwendung der zweiten Brennvorrichtung zur Einstellung der Temperatur und der ersten Brennvorrichtung ist ein Betrieb auch bei schwankenden Mengen an

Materialauftrag sehr einfach möglich.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die erste Brennvorrichtung mittels einer Temperaturmessung innerhalb oder am Ende der Calcinatorleitung geregelt. Die zugeführte Energiemenge wird so in Abhängigkeit der Materialzufuhr nachgeregelt, um die erforderliche Prozesstemperatur der Umsetzung konstant zu halten. Durch die

Verwendung der zweiten Brennvorrichtung zur Einstellung der Temperatur am Gaseintritt in die erste Brennkammer und der prozesstemperaturgeregelten ersten Brennvorrichtung ist ein Betrieb auch bei schwankenden Mengen an Materialauftrag sehr einfach möglich.

Nachfolgend sind erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele des Flugstromcalcinators anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 erste beispielhafte Ausführungsform

Fig. 2 zweite beispielhafte Ausführungsform

Fig. 3 Flugstromcaleinator in einer Gesamtanlage

In Fig. 1 ist eine erste beispielhafte Ausführungsform schematisch dargestellt. Gezeigt ist der untere Bereich eines Flugstromcalcinators mit zwei Brennkammern 10, 20. Gas tritt durch die Gaszuführung 50 von unten ein. Das Gas kann beispielsweise aus einem

Drehrohrofen oder einem Materialkühler stammen. Somit ist der Gasstrom bevorzugt bereits auf einer erhöhten Temperatur. In der zweiten Brennkammer 20 wird der

Gasstrom mittels der zweiten Brennvorrichtung 22 auf die gewünschte Temperatur gebracht. Hierbei kann die zweite Brennvorrichtung 22 beispielsweise ein Erdgasbrenner sein. Ebenso kann es sich aber auch um eine Brennvorrichtung für Ersatzbrennstoffe oder externen HeiRgaserzeuger handeln. Oberhalb der zweiten Brennkammer 20 und unterhalb der ersten Brennkammer 10 ist diese beiden verbindend die Einschnürung 30 angeordnet. Im gezeigten Beispiel ist der Durchmesser der Einschnürung nur halb so groß wie der Durchmesser der ersten Brennkammer 10. Somit ist die Querschnittsfläche der Einschnürung 30 nur 25 % der Querschnittsfläche der ersten Brennkammer 10.

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Hierdurch wird der Gasstrom in der Einschnürung beschleunigt und ein Absacken von mineralischem Material aus der ersten Brennkammer 10 in die zweite Brennkammer 20 verhindert. Die erste Brennkammer 10 weist eine erste Brennvorrichtung, beispielsweise einen Erdgasbrenner, auf. Weiter weist die erste Brennkammer 10 eine

Materialzuführung 14 auf, über die das thermisch zu behandelnde mineralische Material eingebracht wird. Durch den Gasstrom wird das mineralische Material dann mit dem

Gasstrom aus der ersten Brennkammer in die Calcinator-Steigleitung 40 überführt, an deren Ende üblicherweise ein Abscheidezyklon angeordnet ist.

Das in Fig. 2 gezeigte zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten

Ausführungsbeispiel durch eine aktive Regelung der Brennstoffzufuhr. In der Calcinator-

Steigleitung 40 direkt oberhalb der ersten Brennkammer 10 ist ein erster

Temperaturmesser 16 angeordnet, welcher über eine Regelungseinheit 60 ausgelesen wird. In Abhängigkeit von einer vorgegebenen Temperatur regelt die Regelungseinheit 60 die Brennstoffzufuhr zur ersten Brennvorrichtung 12 und kann so auch bei schwankendem Materialfluss in der Materialzuführung 14 eine gleichbleibende

Produktqualität gewährleisten. Entsprechend ist in der Einschnürung 30 ein zweiter

Temperaturmesser 26 angeordnet. Der zweite Temperaturmesser 26 wird über eine

Regelungseinheit 60 ausgelesen, wobei die Regelungseinheiten 60 auch eine einzige

Regelungseinheit 60 sein können, was auch bevorzugt ist. Insbesondere kann die

Regelungseinheit 60 in einen Anlagenleitstand integriert sein. Die Regelungseinheit 60 regelt in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Temperatur die Brennstoffzufuhr zur zweiten Brennvorrichtung 22. Hierdurch wird eine konstante Temperatur erzielt und auch eine initiale Überhitzung des Produktes vermieden.

Fig. 3 zeigt den erfindungsgemäRen Flugstromcalcinator 1 in einer beispielhaften Anlage, wobei der Flugstromcalcinator 1 selbst stark vereinfacht dargestellt ist. In einem

Vorwärmer 70, welcher bevorzugt aus einer Kaskade von zwei bis sechs

Gleichstromwärmetauschern mit nachgeschalteten Abscheidezyklonen besteht, wird das

Material vorgewärmt und anschließend der Materialzuführung 14 zugeführt. Im

Gegenstrom wird das heiße Gas aus dem Flugstromcalcinator 1 in den Vorwärmer 70 geführt und gibt dort seine thermische Energie großteils an das Material ab. Der

Flugstromcalcinator 1 weist nach der Calcinator-Steigleitung 40 einen Abscheidezyklon 42 auf, von dem das Material bevorzugt in einen Materialkühler 80 überführt wird. Der

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Materialkühler 80 ist bevorzugt eine Kaskade aus zwei bis fünf

Gleichstromwärmetauschern mit nachgeschalteten Abscheidezyklonen. Im

Materialkühler 80 gibt das fertige Produkt seine thermische Energie großteils an das einströmende Gas ab, welches dann so vorgewärmt dem Flustromcalcinator 1 zugeführt wird.

Bezugszeichen 1 Flugstromcalcinator erste Brennkammer 10 12 erste Brennvorrichtung 14 Materialzuführung 16 erster Temperaturmesser 20 zweite Brennkammer 22 zweite Brennvorrichtung 26 zweiter Temperaturmesser 30 Einschnürung 40 Calcinator-Steigleitung 42 Abscheidezyklon 50 Gaszuführung 60 Regelungseinheit 70 Vorwärmer 80 Materialkühler

Claims

° BE2022/5067 Patentansprüche

1. Flugstromcalcinator (1) mit einer ersten Brennkammer (10), wobei die erste Brennkammer (10) eine erste Brennvorrichtung (12) aufweist, wobei der Flugstromcalcinator (1) eine Materialzuführung (14) in die erste Brennkammer (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Flugstromcalcinator (1) eine zweite Brennkammer (20) aufweist, wobei die zweite Brennkammer (20) unterhalb der ersten Brennkammer (10) angeordnet ist, wobei die zweite Brennkammer (20) eine zweite Brennvorrichtung (22) aufweist, wobei zwischen der ersten Brennkammer (10) und der zweiten Brennkammer (20) eine Einschnürung (30) angeordnet ist.

2. Flugstromcalcinator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die horizontale Querschnittsfläche der Einschnürung (30) weniger als 50 % der horizontalen Querschnittsfläche der ersten Brennkammer (10) beträgt.

3. Flugstromcalcinator (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb oder direkt unterhalb der Einschnürung (30) ein zweiter Temperaturmesser (26) angeordnet ist.

4. Flugstromcalcinator (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Temperaturmesser (26) mit einer Regelungseinheit (60) verbunden ist, wobei die Regelungseinheit zur Regelung (60) der Brennstoffzufuhr zur zweiten Brennvorrichtung (22) ausgebildet ist.

5. Flugstromcalcinator (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der ersten Brennkammer (10) ein erster Temperaturmesser (16) angeordnet ist.

6. Flugstromcalcinator (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Temperaturmesser (16) mit einer Regelungseinheit (60) verbunden ist, wobei die Regelungseinheit (60) zur Regelung der Brennstoffzufuhr zur ersten Brennvorrichtung (12) ausgebildet ist.

7. Flugstromcalcinator (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschnürung (30) Leitelemente zur Verwirbelung des Gasstromes aufweist.

8. Flugstromcalcinator (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Brennkammer (20) Leitelemente zur Verwirbelung des Gasstromes aufweist.

9. Flugstromcalcinator (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Brennvorrichtung (22) zur Verbrennung von festen Brennstoffen, insbesondere von Ersatzbrennstoffen ausgebildet ist.

10. Verfahren zum Betreiben eines Flugstromcalcinators (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in der zweiten Brennkammer (20) eine Gastemperatur von über 1100 °C, bevorzugt von 1200 °C bis 1450 °C, besonders bevorzugt von 1350 °C bis 1450 °C, erzeugt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom den Flugstromcalcinator (1) mit einer Temperatur von höchsten 1100 °C bis 1200 °C verlässt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Brennvorrichtung (12) in Abhängigkeit der durch die Materialzuführung (14) zugeführten Materialmenge gesteuert wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Brennvorrichtung (12) in Abhängigkeit der durch den zweiten Temperaturmesser (26) erfasste Temperatur gesteuert wird.