BE1030687B1 - CO2-freie Erzeugung von künstlichen Puzzolanen insbesondere aus Tonen - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage 10 zur thermischen Aktivierung feinkörniger mineralischer Rohstoffe zur Erzeugung künstlicher Puzzolane, wobei die Anlage 10 eine Trocknungsvorrichtung 20, einen Vorwärmer 30, einen Vorwärmer 30 und eine thermische Behandlungsvorrichtung 40 aufweist, wobei der feinkörnige mineralische Rohstoff aus der Trocknungsvorrichtung 20 über den Vorwärmer 30 zur thermischen Behandlungsvorrichtung 40 geführt wird, wobei ein Gasstrom der thermischen Behandlungsvorrichtung 40 zugeführt und aus der thermischen Behandlungsvorrichtung 40 dem Vorwärmer 30 zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass entlang dem Gasstrom vor der thermischen Behandlungsvorrichtung 40 eine erste Gasstromheizung 50 angeordnet ist.
Description
CO:-freie Erzeugung von künstlichen Puzzolanen insbesondere aus Tonen
Die Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zur Herstellung von künstlichen
Puzzolanen insbesondere aus Tonen unter Vermeidung von fossilen Brennstoffen zur s Senkung von CO2-Emissionen.
Im Unterschied zur Klinkerherstellung, bei der aus Kalk beim Brennen große Mengen an CO: freigesetzt werden, ist dies bei der Herstellung künstlicher Puzzolane aus natürlichen Tonen zur Anwendung als Zementersatzstoff nicht der Fall. Hier stammt die 11 Hauptmenge der CO2-Emissionen aus fossilen Brennstoffen. Da die Prozesse aber auf gasförmige Brennstoffe, beispielsweise Erdgas, oder feste Brennstoffe, beispielsweise
Kohlenstaub, aber auch auf Ersatzbrennstoffe ausgelegt sind, lassen sich die bestehenden Anlagen nicht einfach auf Energie aus Wind oder Sonne umstellen. Um diese Energiequellen nutzen zu können, ist eine radikale Veränderung des
Anlagenaufbaus notwendig.
Aus der WO 2022 / 115 721 A2 ist ein Energiespeichersystem bekannt.
Aus der DE 10 2014 102 474 A1 ist ein Heizelement und ein Prozessheizer bekannt.
Aus der DE 10 2021 203 071, DE 10 2021 203 072, DE 10 2021 203 073 und der
DE 10 2021 203 074 sind Vorrichtungen und Verfahren zur thermischen Behandlung eines mineralischen Edukts bekannt. 23 Aus der DE 10 2020 211 750 A1 ist die Energierückgewinnung bei der Kühlung farboptimierter aktivierter Tone bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anlage und ein Verfahren bereitzustellen, welches diese neuen regenerativen Energiequellen auch für die Herstellung von künstlichen zo Puzzolanen nutzt, um so die CO2-Emission zu vermeiden.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Anlage mit den in Anspruch 1 angegebenen
Merkmalen sowie durch das Verfahren mit den in Anspruch 18 angegebenen
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Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
Die erfindungsgemäße Anlage dient zur thermischen Aktivierung feinkôrniger
Mineralischer Rohstoffe und zur Erzeugung künstlicher Puzzolane. Die Anlage weist eine Trocknungsvorrichtung, einen Vorwärmer und eine thermische
Behandlungsvorrichtung auf. Die thermische Behandlungsvorrichtung kann beispielsweise ein Calcinator oder Aktivator sein. Der feinkörnige mineralische Rohstoff wird aus der Trocknungsvorrichtung über den Vorwärmer zur thermischen
Behandlungsvorrichtung geführt. Der thermischen Behandlungsvorrichtung wird ein
Gasstrom im Gegenstrom zugeführt und aus der thermischen Behandlungsvorrichtung dem Vorwärmer zugeführt. Hierbei können Feststoffstrom und Gasstrom streckenweise bevorzugt auch im Gleichstrom geführt werden und anschließend beispielsweise in einem Zyklon wieder getrennt werden. Solche Anlagen sind aus dem Stand der Technik dem Fachmann bekannt, lediglich beispielhaft wird auf die
DE 10 2020 211 750 A1verwiesen.
Erfindungsgemäß ist entlang dem Gasstrom vor der thermischen
Behandlungsvorrichtung eine erste Gasstromheizung angeordnet. Somit unterscheidet sich die erfindungsgemäße Anlage grundlegend von einer Anlage nach dem Stand der
Technik. Die Energie wird somit nicht mehr über einen Brenner in der thermischen
Behandlungsvorrichtung erzeugt, sondern durch die erste Gasstromheizung dem der thermischen Behandlungsvorrichtung zugeführten Gasstrom aufgeprägt und über den
Gasstrom in die thermische Behandlungsvorrichtung eingebracht. Dieses ermöglicht nun erstmalig die Verwendung von regenerativen Energien, insbesondere aus Sonne und Wind, zur Herstellung von künstlichen Puzzolanen.
Die erfindungsgemäße Anlage bietet einen weiteren Vorteil. Da keine Verbrennung mehr stattfinden muss, muss der Gasstrom auch keinen Sauerstoff aufweisen. Dadurch zo Ist es auch möglich, mit einer reinen Inertgasatmosphäre oder für eine Farboptimierung mit einer reduzierenden Atmosphäre zu arbeiten. Hierdurch kann eine Farboptimierung bereits bei der Aktivierung in einem einzigen Schritt erfolgen. Wird ein anderes Gas als
Luft verwendet, so wird dieses bevorzugt rezirkuliert.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der feinkörnige mineralische
Rohstoff ein natürlicher Ton, rein oder als Gemisch, eine tonartige Substanz, ein
Zeolith, Altzementstein oder ein Gemisch hieraus.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Anlage wenigstens eine
Vorrichtung zur Erzeugung von regenerativer Energie auf, insbesondere eine
Windkraftanlage oder ein Solarfeld. Besonders bevorzugt weist die Anlage wenigstens zwei unterschiedliche Vorrichtung zur Erzeugung von regenerativer Energie, beispielsweise eine Windkraftanlage und ein Solarfeld. Zusätzlich kann die Anlage beispielsweise eine Biogasanlage und eine Gasturbine aufweisen, um in Zeiten ohne
Sonne und Wind aus Biogas CO: neutral Strom zu erzeugen. Dieses ermöglich eine höhere Flexibilität auch ohne große Batteriesysteme.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Anlage wenigstens eine erste Energiespeichervorrichtung auf. Die wenigstens eine erste
Energiespeichervorrichtung dient insbesondere zur VergleichmäRigung der regenerativ erzeugten Energie, also beispielsweise als Tag-Nacht-Ausgleich für Solarstrom. Hierbei kann eine große erste Energiespeichervorrichtung vorgesehen sein, welche alle elektrisch betriebenen Anlagenbestandteile zu versorgen ausgebildet ist. Alternativ kann eine Mehrzahl an kleineren Energiespeichervorrichtungen vorgesehen sein, welche jeweils einzelne oder wenige Komponenten der Anlage versorgen. Als
Energiespeichervorrichtungen können alle bekannten elektrischen
Energiespeichervorrichtungen eingesetzt werden, beispielsweise Akkumulatoren und
Kondensatoren, aber auch nicht rein elektrische Speicher, wie zum Beispiel ein
Pumpspeicherwerk oder auch die Zwischenspeicherung in einem chemischen Produkt, zum Beispiel Wasserstoff (Kombination Elektrolyse/Brennstoffzelle).
Zusätzlich kann die Anlage auch eine Verbindung zum allgemeinen Stromnetz aufweisen. Hierdurch können nicht nur Schwankungen ausgeglichen werden, vielmehr kann auch bei einem Überangebot (und entsprechend geringem oder negativem Preis) auch Strom direkt verwendet werden oder auch in eine Energiespeichervorrichtung gegeben werden.
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Besonders bevorzugt umfasst die Verbindung zwischen der Erzeugung und/oder
Speicherung der regenerativen Energie nicht nur die erste Gasstromheizung, sondern alle Energie benötigenden Bauteile, also zum Beispiel Mühlen, Filter, Förderbänder,
Kompressoren und dergleichen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die erste Gasstromheizung wenigstens eine innere Oberfläche auf. Der Energieeintrag in das Gas erfolgt ausschließlich über die innere Oberfläche. Die innere Oberfläche kann beispielsweise die Oberfläche eines Heizdrahtes sein. Ebenso kann die innere Oberfläche eine metallische Oberfläche sein, welche von der Rückseite elektrisch beheizt wird. Ebenso kann die innere Oberfläche die Oberfläche eines von einem Wärmetauschmedium durchflossenen Körpers, insbesondere eines Rohres sein. Die innere Oberfläche kann auch die Oberfläche eines beheizten Wärmespeichermediums sein, beispielswiese einem Mauerwerk. Eine innere Oberfläche ist somit jede beliebige Oberfläche zu verstehen, die im Inneren der ersten Gasstromheizung angeordnet ist. Das unterscheidet sich grundlegend eben von einem Brenner, bei dem der
Verbrennungsprozess die Energie im Inneren des Gasstroms und eben nicht über eine
Oberfläche zur Verfügung stellt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die erste Gasstromheizung ein
Wärmetauscher. Diese Ausführungsform ist bevorzugt, wenn die Energie mittels
Solarthernie, beispielsweise mittels einer Salzschmelze, gewonnen und bereitgestellt wird. Auf diese Weise kann die thermische Energie ohne Umwandlungsverluste bei einer vorhergehenden Verstromung optimal genutzt werden. Außerdem ist aus entsprechenden solarthermischen Anlagen auch die Zwischenspeicherung des warmen
Wärmetauschmediums bekannt, um insbesondere die Nacht und/oder sonnenfreie
Tage zu überbrücken.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die erste Gasstromheizung eine zo elektrische Gasstromheizung. Besonders bevorzugt wird der Gasstrom in nur einem
Ringspalt um eine innere Oberfläche, welche elektrisch beheizt wird, geführt. So sind vergleichsweise hohe Temperaturen, die für den Prozess benötigt werden, in einfacher
Form zu erzielen. Als Beispiel sei ein Heizelement entsprechend der
DE 10 2014 102 474 A1 beispielhaft genannt.
9 BE2022/5544
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die erste Gasstromheizung als
Rohrbündelheizung ausgeführt. Durch die Ausführung als Rohrbündel kann die innere
Oberfläche und damit der Wärmeübertrag gesteigert werden. Gleichzeitig wird durch die
Verringerung der Dicke der Gasschicht die Diffusion innerhalb des Gases beschleunigt.
Weiter wird die äußere Oberfläche, welche eine Wärmeabstrahlung und damit einen
Wärmeverlust und damit eine Temperaturerniedrigung bewirkt, reduziert.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der ersten
Gasstromheizung und der thermischen Behandlungsvorrichtung ein Wärmespeicher angeordnet. Der Wärmespeicher kann in einer großen durchströmten Masse bestehen.
Beispielsweise kann der Wärmespeicher aus Mauermerk bestehen. Der
Wärmespeicher kann aber auch aus Metall bestehen. Der Wärmespeicher dient insbesondere zu einer Temperaturvergleichmäligung und kann somit zeitliche
Schwankungen der erzeugten und damit in den Prozess eingebrachten regenerativen
Energie ausgleichen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der ersten
Gasstromheizung und der thermischen Behandlungsvorrichtung ein Gas-Gas-
Wärmetauscher angeordnet. Hierbei wird das ein Primärfluid zwischen der ersten
Gasstromheizung und dem Gas-Gas-Wärmetauscher im Kreis geführt. Dadurch wird beispielsweise Staubeintrag in die erste Gasstromheizung vermeiden werden. Vielmehr kann ein Inertgas, beispielsweise Stickstoff oder Argon als Primärfluid verwendet werden, was zusätzlich beispielsweise eine Korrosion an den heißen Stellen der ersten
Gasstromheizung vermeidet. Besonders bevorzugt ist der Gas-Gas-Wärmetausche als
Gegenstromwärmetauscher ausgeführt. Das Primärfluid kann nach der ersten
Gasstromheizung und dem Gas-Gas-Wärmetauscher beispielsweise eine Temperatur von 1400 °C bis 2000 °C aufweisen. zo In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist in Gasstromrichtung vor der
Trocknungsvorrichtung eine zweite Gasstromheizung angeordnet. Aufgrund der hohen
Verdampfungsenthalpie von Wasser besteht in der Trocknungsvorrichtung ein hoher
Energiebedarf, wobei die Temperatur beispielsweise in einem Bereich unter 400 °C bleiben kann. In anderen Ausführungsformen kann es jedoch vorteilhaft sein, die
° BE2022/5544
Temperatur nach der zweiten Gasstromheizung deutlich heißer zu wählen, sodass diese insbesondere über 9800 °C, beispielsweise bei 1000 °C bis 1200 °C liegt. Durch die höhere Temperatur kann ein kleinerer Gasstrom verwendet werden, wobei durch den Feuchtegehalt und die daraus resultierende Verdampfung der Feststoff in der
Trocknungsvorrichtung selber nicht auf diese Temperatur gebracht wird. Da aber der
Gasstrom die gesamte Energie bereitstellen soll, um beispielsweise eine Verbrennung zu ersetzen und damit einen CO2 Ausstoß zu vermeiden, muss der Gasstrom massenmäßig angepasst sein, um die benötigte Energie transportieren zu können.
Daher ist eine gezielte zweite Erwärmung in einer zweiten Gasstromheizung vorteilhaft.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Anlage eine dritte
Gasstromheizung auf. Die dritte Gasstromheizung ist gasführend mit der thermischen
Behandlungsvorrichtung verbunden. Insbesondere ist die dritte Gasstromheizung stromab zur ersten Gasstromheizung angeordnet. Beispielswiese ist die Gaszuführung aus der ersten Gasstromheizung am Beginn der thermischen Behandlungsvorrichtung angeordnet und die Gaszuführung aus der dritten Gasstromheizung etwa in der Mitte der thermischen Behandlungsvorrichtung. Hierdurch kann zusätzlich thermische
Energie zur Verfügung gestellt werden, nachdem im ersten Teil die aus der ersten
Gasstromheizung kommenden Gase sich durch die thermische Behandlung abgekühlt haben.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die erste Gasstromheizung und eine optionale dritte Gasstromheizung zur vollständigen Bereitstellung der in der thermischen Behandlungsvorrichtung benötigten Energie ausgebildet. Die erste
Gasstromheizung dient somit eben nicht nur dazu, einen Teilbetrag zu liefern, sondern es geht gerade darum, dass eben nicht nur ein Verbrennungsprozess durch die erste
Gasstromheizung unterstützt wird, sondern die Gasstromheizung im Regelbetrieb den gesamten Energiebedarf zu decken in der Lage ist. Als Alternative kann zusätzlich ein
Heizelement im Inneren der thermischen Behandlungsvorrichtung angeordnet sein. zo Dieses bietet Vor- und Nachteile. Ein Nachteil ist die Möglichkeit der Entstehung von
Temperaturspitzen bei der Verwendung eines Heizelements in der thermischen
Behandlungsvorrichtung, was wiederum zu einer Deaktivierung des Materials kommen kann, wenn gewissen Temperaturwerte lokal überschritten werden. Die Verwendung
/ BE2022/5544 nur des Gasstroms als Energielieferant führt hingegen zu einem extrem gleichmäßigen
Temperaturverlauf innerhalb der thermischen Behandlungsvorrichtung.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die thermische
Behandlungsvorrichtung einen Reservebrenner auf. Der Reservebrenner dient beispielsweise dazu, bei einem Ausfall der regenerativen Energie einen Notbetrieb aufrecht erhalten zu können, beispielsweise um die Anlage sicher herunterzufahren oder zur Überbrückung auf Betriebstemperatur zu halten. Der Reservebrenner ist jedoch nicht für den Regel- oder Dauerbetrieb vorgesehen und damit nicht dafür ausgelegt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Anlage einen Materialkühler auf. Der Materialkühler dient dazu, das mineralische Material abzukühlen und die thermische Energie auf einen Gasstom zu übertragen. Die thermische
Behandlungsvorrichtung ist Feststoff-führend mit dem Materialkühler verbunden. Der
Materialkühler ist gasführend mit der ersten Gasstromheizung und die erste
Gasstromheizung ist gasführend mit der thermischen Behandlungsvorrichtung verbunden. Hierdurch wird die thermische Energie zurückgewonnen und die für die
Erhitzung in der ersten Gasstromheizung benötigte regenerativ erzeugte Energie reduziert.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Anlage einen
Materialvorkühler auf. Der Materialvorkühler ist bevorzugt entlang des Stoffstroms vor dem Materialkühler angeordnet. Der Materialkühler dient insbesondere einer möglichst raschen ersten Abkühlung, beispielsweise auf eine Temperatur zwischen 400 °C und 500 °C. Dieses ist bevorzugt, wenn eine Farboptimierung des Produkts, beispielsweise in einer reduzierenden Atmosphäre durchgeführt wurde, um eine erneute Oxidation und damit eine neue Verfärbung des Produkts zu vermeiden. Beispielsweise kann ein
Materialkühler ein Feststoff-Feststoff-Kühler sein, bei dem die Wärme eben nicht auf zo einen Gasstrom abgegeben wird. Ein entsprechendes Kühlkonzept kann beispielsweise der DE 10 2020 211 750 A1 entnommen werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Anlage einen reduzierenden
Reaktor, insbesondere einen reduzierenden Wirbelschichtreaktor, auf. Der
3 BE2022/5544 reduzierende Reaktor, insbesondere der reduzierende Wirbelschichtreaktor, dient üblicherweise zur Farboptimierung des Produkts unter reduzierenden Bedingungen. Die thermische Behandlungsvorrichtung ist Feststoff-fúhrend mit dem reduzierenden
Wirbelschichtreaktor verbunden und der reduzierende Wirbelschichtreaktor ist Feststoff- führend mit dem Materialkühler verbunden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die erste Gasstromheizung oder der der ersten Gasstromheizung nachgelagerten Wärmespeicher mit der
Trocknungsvorrichtung gasführend verbunden. Somit wird ein Teilgasstrom direkt der
Trocknungsvorrichtung zugeführt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Vorwärmer oder die
Trocknungsvorrichtung gasführend mit der ersten Gasstromheizung verbunden. Eine derartige Kreislaufführung ist besonders bevorzugt, wenn nicht mit Luft als Gas gearbeitet wird, sondern insbesondere wenn ein Inertgas oder eine reduzierende
Atmosphäre verwendet wird. Hierdurch kann das wertvolle Gas wiederverwendet werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die thermische
Behandlungsvorrichtung ein Oberflächenheizelement auf. Auch wenn dieses das Risiko lokaler Temperaturspitzen mit sich bringen kann, ist es auf diese Weise möglich,
Energie aus einer regenerativen Energiequelle direkt in die thermische
Behandlungsvorrichtung einzubringen beziehungsweise Abstrahlungsverluste zu kompensieren und so die Reaktion zu unterstützen und die mittlere Temperatur zu vergleichmäfigen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Gasverbindung zwischen dem
Materialkühler und der thermischen Behandlungsvorrichtung angeordnet. Hierdurch kann vergleichswiese kaltes Gas der thermischen Behandlungsvorrichtung zugeführt zo werden und durch Mischung die Temperatur in einfacher und sehr schneller Wiese geregelt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Gasverbindung zwischen dem
Materialkühler und der Trocknungsvorrichtung angeordnet. Hierdurch kann die bei der
9 BE2022/5544
Materialkühlung entstehende Wärme in einfacher und effizienter Weise für die
Trocknung verwendet werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Gasverbindung zwischen dem
Materialkühler und der zweiten Gasstromheizung angeordnet. Auch hierdurch kann die
Wärme bei der Materialkühlung für die Trocknung verwendet werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Gasverbindung zwischen dem
Materialkühler und der dritten Gasstromheizung angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Gasverbindung zwischen der
Trocknungsvorrichtung und der ersten Gasstromheizung angeordnet. Hierdurch wird der Wasserdampf in das System eingetragen, was wiederum die Wärmekapizität erhöht, was wiederum zu einem geringeren Absinken der Temperatur innerhalb der thermischen Behandlungsvorrichtung führt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Gasverbindung zwischen der
Trocknungsvorrichtung und der dritten Gasstromheizung angeordnet. Hierdurch wird der Wasserdampf in das System eingetragen, was wiederum die Wärmekapizität erhöht, was wiederum zu einem geringeren Absinken der Temperatur innerhalb der thermischen Behandlungsvorrichtung führt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vor der ersten Gasstromheizung ein Staubfilter angeordnet.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur thermischen
Aktivierung feinkörniger mineralischer Rohstoffe zur Erzeugung künstlicher Puzzolane, insbesondere für eine erfindungsgemäße Anlage. Wie nach dem Stand der Technik üblich, wird der Materialstrom über einen Vorwärmer und durch eine thermische zo Behandlungsvorrichtung geführt. Erfindungswesentlich ist, dass der Gasstrom vor der
Zuführung zur thermischen Behandlungsvorrichtung in der ersten Gasstromheizung erhitzt wird. Die Energie für den Prozess in der thermischen Behandlungsvorrichtung wird also nicht in der thermischen Behandlungsvorrichtung durch eine Verbrennung erzeugt und bereitgestellt, sondern vor dem Eintritt in die thermische
Behandlungsvorrichtung dem Gasstrom in der ersten Gasstromheizung aufgeprägt und durch den Gasstrom in die thermische Behandlungsvorrichtung eingebracht. Hierdurch ist es in einfacher Art möglich, vollständig auf regenerativ erzeugte Energie zurückzugreifen und somit eine CO2 Emission für die Energieerzeugung zu vermeiden und so die Herstellung künstlicher Puzzolane klimaneutral zu gestallten.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Gasstrom in der ersten
Gasstromheizung auf 800 °C bis 1800 °C bevorzugt auf 800 °C bis 1600 °C, bevorzugt auf 800 °C bis 1400 °C, bevorzugt auf 800 °C bis 1200 °C, ganz besonders bevorzugt auf 1000 °C bis 1200 °C, erhitzt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird als feinkörnige mineralische
Rohstoffe ein natürlicher Ton, rein oder als Gemisch, eine tonartige Substanz, ein
Zeolith, Altzementstein oder ein Gemisch ausgewählt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Gas in der ersten
Gasstromheizung über eine innere Oberfläche der ersten Gasstromheizung erhitzt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Trocknungsvorrichtung ein weiterer Gasstrom zugeführt. Der weitere Gasstrom wird in einer zweiten
Gasstromheizung erhitzt. Hierdurch kann erreicht werden, dass auch für die
Trocknungsvorrichtung in einfacher Weise ausreichend Energie auf dem richtigen
Temperaturniveau zur Verfügung steht.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der thermischen
Behandlungsvorrichtung ein Zusatzgasstrom zugeführt. Der Zusatzgasstrom wird in einer dritten Gasstromheizung erhitzt. Dieses ermöglicht die Zuführung eines zweiten
Gasstromes, beispielsweise in der Mitte der thermischen Behandlungsvorrichtung.
Dadurch kann dort erneut heiBeres Gas zugeführt und somit gezielt die thermische
Aktivierung gesteuert/beeinflusst werden und/oder das Temperaturprofil über die thermische Behandlungsvorrichtung vergleichmäßigt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung stellen die erste Gasstromheizung und eine optionale dritte Gasstromheizung die gesamte in der thermischen
Behandlungsvorrichtung benötigten Energie bereit. Hierdurch kann auf ein in der thermischen Behandlungsvorrichtung angeordnetes Heizelement verzichtet werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird bei einem Ausfall der
Energieversorgung und somit der ersten Gasstromheizung ein Reservebrenner zur
Erzeugung thermischer Energie in der thermischen Behandlungsvorrichtung verwendet.
Dadurch können Ausfälle überbrückt oder ein sicheres Herunterfahren gewährleistet werden. Die Verwendung des Reservebrenners ist jedoch nur für solche
Ausnahmesituationen vorgesehen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der aus einem Materialkühler kommende Gasstrom in der ersten Gasstromheizung erhitzt. Hierdurch kann die
Abwärme des Materialstroms in effizienter Weise genutzt werden und somit auch der
Energiebedarf der ersten Gasstromheizung reduziert werden.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Regelungsverfahren, wobei die aus der ersten Gasstromheizung austretende Gastemperatur gemessen wird und wobei der der ersten Gasstromheizung zugeführte Gasstrom und die der ersten Gasstromheizung zugeführte elektrische Energie in Abhängigkeit von der gemessenen Gastemperatur geregelt werden. Besonders bevorzugt erfolgt die Regelung derart, dass die zur
Verfügung stehende elektrische Energie (aus der aktuell erzeugten Energiemenge sowie beispielsweise der Restladung eines Batteriespeichers) berücksichtigt wird.
Besonders bevorzugt wird zusätzlich auch di der Anlage zugeführte Feststoffmenge in
Abhängigkeit der zur Verfügung stehende elektrische Energie (aus der aktuell erzeugten Energiemenge sowie beispielsweise der Restladung eines Batteriespeichers) geregelt. Sinkt also beispielsweise die Energieproduktion, beispielsweise nachts bei einer Solaranlage oder bei einer Windflaute bei einer Windkraftanlage, so wird die
Auslastung der Anlage entsprechend angepasst zo Nachfolgend ist die erfindungsgemäße Anlage anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Fig. 1 erste beispielhafte Ausführungsform
Fig. 2 zweite beispielhafte Ausführungsform
Fig. 3 dritte beispielhafte Ausführungsform
Fig. 4 vierte beispielhafte Ausführungsform
Fig. 5 fünfte beispielhafte Ausführungsform
Fig. 6 sechste beispielhafte Ausführungsform
Fig. 7 siebente beispielhafte Ausführungsform
Fig. 8 achte beispielhafte Ausführungsform
Fig. 9 neunte beispielhafte Ausführungsform
Fig. 10 zehnte beispielhafte Ausführungsform
Fig. 11 elftes beispielhafte Ausführungsform
Fig. 12 _zwölftes beispielhafte Ausführungsform
Gleiche Bauteile sind im Folgenden mit gleichen Bezugszeichen versehen, um die
Vergleichbarkeit über die verschiedenen Ausführungsformen zu vereinfachen.
In Fig. 1 ist eine erste beispielhafte Ausführungsform gezeigt. Die Anlage 10 weist eine
Mühle 110 auf, in der beispielsweise Ton als Ausgangsprodukt, vermahlen wird. Von dort geht der Feststoffstrom in die Trocknungsvorrichtung 20 überführt und dort getrocknet. Von dort wird der Feststoffstrom über den Vorwärmer 30 in die thermische
Behandlungsvorrichtung 40 geführt und anschließend in einen Materialkühler 100 geführt. Im Materialkühler 100 wird der der Feststoffstrom mit einem Gasstrom abgekühlt und der Gasstrom dabei aufgewärmt. Der vorgewärmte Gasstrom wird von dem Materialkühler 100 in die erste Gasstromheizung 50 geführt und dort insbesondere elektrisch, auf beispielsweise 1200 °C aufgeheizt. Hierzu wird besonders bevorzugt regenerativ erzeugter Strom, insbesondere aus einem Solar- und Windkraft-Mix verwendet. Hierdurch kann vollständig auf fossile Brennstoffe verzichtet werden und somit die Herstellung künstlicher Puzzolane klimaneutral zu gestalten. Der Gasstrom wird aus der ersten Gasstromheizung 50 in die thermische Behandlungsvorrichtung geführt 40 und stellt dort die für die Behandlung benötigte Energie zur Verfügung.
Anschließend wird der Gasstrom aus der thermischen Behandlungsvorrichtung 40 in zo den Vorwärmer und aus dem Vorwärmer 30 in die Trocknungsvorrichtung 20 geführt.
Im Folgenden wird nur noch auf die Unterschiede der einzelnen Ausführungsformen eingegangen.
Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform, bei der im Unterschied zum in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsform zusätzlich einen Wärmespeicher 60 zwischen der ersten Gasheizung 50 und der thermischen Behandlungsvorrichtung 40. Beispielsweise kann dieses ein gemauerter Bereich sein. Hierdurch wird eine
TemperaturvergleichmäRigung erreicht, auch wenn beispielsweise der regenerativ erzeugte Strom, welcher für die elektrische Beheizung in der ersten Gasstromheizung 50 verwendet wird, Schwankungen aufweist.
In Fig. 3 ist eine dritte Ausführungsform gezeigt, bei der im Unterschied zum in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsform eine zweite Gasstromheizung 70 vorhanden ist, die einen Gasstrom erhitzt, welcher dann in die Trocknungsvorrichtung 20 geführt wird.
Hierdurch kann der Energiebedarf über Gasstrommenge und Temperatur gezielt auf die für die Trocknung benötigte Energie angepasst werden. Im Gegenzug wird der
Gasstrom aus dem Vorwärmer 30 verworfen. Alternativ könnet der Gasstrom aus dem
Vorwärmer 30 auch der zweiten Gasstromheizung 70 zugeführt werden.
Fig. 4 zeigt eine vierte Ausführungsform, bei der im Unterschied zum in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsform eine dritte Gasstromheizung 80 vorhanden ist. Die dritte
Gasstromheizung 80 erhitzt einen Gasstrom, der etwa mittig in die thermische
Behandlungsvorrichtung 40 zugeführt wird. Da in der thermischen
Behandlungsvorrichtung 40 keine direkte interne Beheizung aufweist, wird die für die
Feststoff-Umsetzung benötigte Energie aus dem Gasstrom entnommen, der dadurch abkühlt. Durch das Zuführen des Gasstromes aus der dritten Gasstromheizung 80 wird wieder ein heißer Gasstrom zugeführt und somit die Temperatur über die thermische
Behandlungsvorrichtung 40 vergleichmäRigt.
Fig. 5 zeigt eine fünfte Ausführungsform, bei der im Unterschied zum in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsform einen reduzierenden Wirbelschichtreaktor 120, der zwischen der thermischen Behandlungsvorrichtung 40 und dem Materialkühler 100 angeordnet zo ist. In dem reduzierenden Wirbelschichtreaktor 120 wird in einer reduzierenden
Atmosphäre eine Farboptimierung durchgeführt, also beispielsweise in einem
Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoff oder ein Gasgemisch, welches diese
Stoffe aufweist oder aus diesen hergestellt ist, aufweisenden Atmosphäre. Hierzu wird dem reduzierenden Wirbelschichtreaktor 120 ein geeignetes Reduktionsmittel entsprechend zugeführt. Durch die Abtrennung des Gasstromes von Materialkühler 100, thermischer Behandlungsvorrichtung 40 und Vorwärmer mit einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre von der reduzierenden Atmosphäre im reduzierenden
Wirbelschichtreaktor 120 kann deutlich an reduzierendem Medium eingespart werden.
Fig. 6 zeigt eine sechste Ausführungsform, bei der im Unterschied zum in Fig. 3 gezeigten dritten Ausführungsform der Gasstrom nach dem Vorwärmer 30 optional über eine nicht gezeigte Kühlvorrichtung dem Materialkühler 100 zugeführt wird. Dieses ermöglicht den Einsatz einer reduzierenden Atmosphäre in der thermischen
Behandlungsvorrichtung 40. Um aus dem Ton austretende Gasprodukte abtrennen zu können, weist die Gasverbindung zwischen dem Vorwärmer 30 und dem Materialkühler 100 einen nicht gezeigten Gasstromteiler auf, um einen Teilgasstrom abzutrennen und so eine Anreicherung der dem Ton austretende Gasprodukte zu verhindern.
Fig. 7 zeigte eine siebente Ausführungsform, bei der im Unterschied zur in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsform zusätzliche Gasverbindungen vorhanden sind. Vom
Materialkühler 100 gehen Gasverbindungen zur thermischen Behandlungsvorrichtung 40 und zur Trocknungsvorrichtung 20. Zusätzlich kann warme Luft auch an anderer
Stelle der Anlage 10 verwendet werden. Des Weiteren ist auch eine rückführende
Gasverbindung von der Trocknungsvorrichtung 20 zum Materialkühler 100 vorhanden.
Diese zusätzlichen Gasverbindungen sind auch auf die zweite bis sechste
Ausführungsform entsprechend analog anwendbar.
Die in Fig. 8 gezeigte achte Ausführungsform stellt eine Kombination der in Fig. 3 gezeigten dritten Ausführungsform und der in Fig. 7 gezeigten siebenten
Ausführungsform dar. Besonders wesentlich ist bei der achten Ausführungsform die
Gasverbindung vom Vorwärmer 30 zur zweiten Gasstromheizung.
Die in Fig. 9 gezeigte neunte Ausführungsform stellt eine Kombination der in Fig. 5 zo gezeigten fünften Ausführungsform und der in Fig. 7 gezeigten siebenten
Ausführungsform dar. Besonders wesentlich ist der Materialvorkühler 130. Zu diesem wird ein kalter Materialstrom aus dem Materialkühler 100 geführt, wodurch über einen
Feststoff-Feststoff-Wärmeübergang die Temperatur effizient schnell abgesenkt und eine
Verfärbung verhindert werden kann. Ein entsprechender Materialvorkühler 130 kann beispielsweise der DE 10 2020 211 750 A1 entnommen werden.
Fig. 10 zeigt eine zehnte Ausführungsform, die sich von der in Fig. 9 gezeigten neunten
Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass diese keinen reduzierenden
Wirbelschichtreaktor 120 aufweist. Vielmehr erfolgt die Behandlung in der thermischen
Behandlungsvorrichtung 40 bereits in einer reduzierenden Atmosphäre, weshalb insbesondere die Gasverbindung von den Trocknungsvorrichtung 20 zum
Materialkühler 100 wichtig ist. In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann zusätzlich oder anstelle dieser Gasverbindung eine Gasverbindung zwischen dem
Vorwärmer und dem Materialkühler 100 und/oder der ersten Gasstromheizung angeordnet sein, um die reduzierende Atmosphäre im Kreis führen zu können.
Die in Fig. 11 gezeigte elfte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 8 gezeigten achten Ausführungsform durch zusätzliche Gasverbindungen vom
Vorwärmer 30 zur ersten Gasstromheizung 50 sowie von der Trocknungsvorrichtung 20 zu ersten Gasstromheizung 50. Zusätzlich ist eine weitere Gasverbindung zwischen der
Trocknungsvorrichtung 20 und der zweiten Gasstromheizung 70 angeordnet.
Die in Fig. 12 gezeigte zwôlfte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 7 gezeigten siebenten Ausführungsform dadurch, dass die erste Gasstromheizung 50 nicht direkt im Gasstrom angeordnet ist, sondern in einem Kreislauf mit einem Gas-
Gas-Wärmetauscher 140 angeordnet ist, sodass die Heizoberflächen in der ersten
Gasstromheizung 50 nicht in Kontakt mit Staub oder korrodierenden Gasverbindungen kommen. Hierdurch kann die Lebensdauer der ersten Gasstromheizung verlängert werden. Der Gas-Gas-Wärmetauscher ist besonders bevorzugt als
Gegenstromwärmetauscher ausgebildet.
Bezugszeichen zo 10 Anlage 20 Trocknungsvorrichtung
Vorwärmer thermische Behandlungsvorrichtung erste Gasstromheizung
60 Wärmespeicher 70 zweite Gasstromheizung 80 dritte Gasstromheizung 100 Materialkühler 110 Mühle 120 reduzierender Wirbelschichtreaktor 130 Materialvorkühler 140 Gas-Gas-Wärmetauscher
Claims (26)
1. Anlage (10) zur thermischen Aktivierung feinkörniger mineralischer Rohstoffe zur Erzeugung künstlicher Puzzolane, wobei die Anlage (10) eine Trocknungsvorrichtung (20), einen Vorwärmer (30), einen Vorwärmer (30) und eine thermische Behandlungsvorrichtung (40) aufweist, wobei der feinkörnige mineralische Rohstoff aus der Trocknungsvorrichtung (20) über den Vorwärmer (30) zur thermischen Behandlungsvorrichtung (40) geführt wird, wobei ein Gasstrom der thermischen Behandlungsvorrichtung (40) zugeführt und aus der thermischen Behandlungsvorrichtung (40) dem Vorwärmer (30) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass entlang dem Gasstrom vor der thermischen Behandlungsvorrichtung (40) eine erste Gasstromheizung (50) angeordnet ist.
2. Anlage (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der feinkörnige mineralische Rohstoff ein natürlicher Ton, rein oder als Gemisch, eine tonartige Substanz, ein Zeolith, Altzementstein oder ein Gemisch hieraus ist.
3. Anlage (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gasstromheizung (50) wenigstens eine innere Oberfläche aufweist, wobei der Energieeintrag in das Gas ausschließlich über die innere Oberfläche erfolgt.
4. Anlage (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gasstromheizung (50) ein Wärmetauscher ist.
5. Anlage (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gasstromheizung (50) eine elektrische Gasstromheizung ist.
6. Anlage (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gasstromheizung (50) als Rohrbündelheizung ausgeführt ist.
7. Anlage (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Gasstromheizung (50) und der thermischen Behandlungsvorrichtung (40) ein Wärmespeicher (60) angeordnet ist.
8. Anlage (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Gasstromheizung (50) und der thermischen Behandlungsvorrichtung (40) ein Gas-Gas-Wärmetauscher (140) angeordnet ist.
9. Anlage (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Gasstromrichtung vor der Trocknungsvorrichtung (20) eine zweite Gasstromheizung (70) angeordnet ist.
10.Anlage (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (10) eine dritte Gasstromheizung (80) aufweist, wobei die dritte Gasstromheizung gasführend mit der thermischen Behandlungsvorrichtung (40) verbunden ist.
11.Anlage (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gasstromheizung (50) und eine optionale dritte Gasstromheizung (80) zur vollständigen Bereitstellung der in der thermischen Behandlungsvorrichtung (40) benötigten Energie ausgebildet sind.
12.Anlage (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlungsvorrichtung (40) einen Reservebrenner aufweist.
13.Anlage (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (10) einen Materialkühler (100) aufweist, wobei die thermische Behandlungsvorrichtung (40) Feststoff-führend mit dem Materialkühler (100) verbunden ist, wobei der Materialkühler (100) gasführend mit der ersten Gasstromheizung (50) und die erste Gasstromheizung (50) gasführend mit der thermischen Behandlungsvorrichtung (40) verbunden ist.
14. Anlage (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (10) einen reduzierenden Reaktor, insbesondere einen reduzierenden Wirbelschichtreaktor (120), aufweist, wobei die thermische Behandlungsvorrichtung (40) Feststoff-führend mit dem reduzierenden Reaktor, insbesondere dem reduzierenden Wirbelschichtreaktor (120), verbunden ist,
wobei der reduzierende Reaktor, insbesondere der reduzierende Wirbelschichtreaktor (120), Feststoff-führend mit dem Materialkühler (100) verbunden ist.
15.Anlage (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gasstromheizung (50) oder der der ersten Gasstromheizung (50) nachgelagerten Wärmespeicher (60) mit der Trocknungsvorrichtung (20) gasführend verbunden ist.
16.Anlage (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwärmer (30) oder die Trocknungsvorrichtung (20) gasführend mit der ersten Gasstromheizung (50) verbunden ist.
17.Anlage (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlungsvorrichtung (40) ein Oberflächenheizelement aufweist.
18. Verfahren zur thermischen Aktivierung feinkörniger mineralischer Rohstoffe zur Erzeugung künstlicher Puzzolane, wobei der Materialstrom über einen Vorwärmer (30) und durch eine thermische Behandlungsvorrichtung (40) geführt wird, wobei der Gasstrom vor der Zuführung zur thermischen Behandlungsvorrichtung (40) in der ersten Gasstromheizung (50) erhitzt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom in der ersten Gasstromheizung (50) auf 800 °C bis 1800 °C, bevorzugt auf 1000 °C bis 1200 °C erhitzt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass als feinkörnige mineralische Rohstoffe ein natürlicher Ton, rein oder als Gemisch, eine tonartige Substanz, ein Zeolith, Altzementstein oder ein Gemisch ausgewählt wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas in der ersten Gasstromheizung (50) über eine innere Oberfläche der ersten Gasstromheizung (50) erhitzt wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Trocknungsvorrichtung (20) ein weiterer Gasstrom zugeführt wird, wobei der weitere Gasstrom in einer zweiten Gasstromheizung (70) erhitzt wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der thermischen Behandlungsvorrichtung (40) ein Zusatzgasstrom zugeführt wird, wobei der Zusatzgasstrom in einer dritten Gasstromheizung (80) erhitzt wird.
24 Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gasstromheizung (50) und eine optionale dritte Gasstromheizung (80) die gesamte in der thermischen Behandlungsvorrichtung (40) benötigten Energie bereitstellen.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Ausfall der Energieversorgung ein Reservebrenner zur Erzeugung thermischer Energie in der thermischen Behandlungsvorrichtung (40) verwendet wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der aus einem Materialkühler kommende Gasstrom in der ersten Gasstromheizung (50) erhitzt wird.
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| BE20225544A BE1030687B1 (de) | 2022-07-01 | 2022-07-01 | CO2-freie Erzeugung von künstlichen Puzzolanen insbesondere aus Tonen |
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| BE1030687A1 (de) | 2024-01-26 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FG | Patent granted |
Effective date: 20240129 |