CN102006926A - 用于细粒矿物固体的热处理的方法和装置 - Google Patents

用于细粒矿物固体的热处理的方法和装置 Download PDF

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Abstract

在细粒矿物固体的热处理中，尤其是用于煅烧粘土或石膏的热处理中，使所述固体穿过闪烧反应器(5)，在所述闪烧反应器(5)中，使所述固体在450℃至1500℃的温度下与热气体接触，并随后使所述固体在550℃至800℃的温度下穿过停留时间反应器(7)，在1分钟至600分钟的停留时间之后将所述固体从所述停留时间反应器(7)中取出，并可能供给到进一步的处理级。

Description

用于细粒矿物固体的热处理的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种细粒矿物固体的热处理的方法，特别是用于煅烧粘土或粘土类物质或石膏的方法，并涉及用于执行此方法的装置。
背景技术
传统上，煅烧细粒矿物固体例如粘土的煅烧在回转窑或多膛炉中实现。这确保了低温的维持和用于在此方法中进行处理所需的停留时间。例如，美国专利4,948,362描述了一种煅烧粘土的方法，其中，通过热煅烧气体在多膛煅烧炉中处理高岭土，以提高光泽，并使磨耗最小化。在静电沉降中，煅烧的粘土粉末与煅烧炉的废气分离，并进行处理，从而获得预期的产物。
还有这样的已知方法，它们允许避免可移动的装置设备，例如回旋窑或多膛炉中的旋转刮刀，并且减少停留时间。同样包括闪烧反应器和流体床技术。
从美国专利6,168,424中获知用于悬浮矿物固体尤其是粘土的热处理的装置，其中，在多个预热级预热之后，将固体供给到闪烧反应器。在闪烧反应器中，固体通过在燃烧室中产生的热气体在热处理管中进行煅烧。然后，在多个冷却级中将煅烧后的产物冷却到期望的产物温度。
在“Clays and Clay Minerals”(卷.33，No.3，258-260，1985)的论文“Properties of Flash-Calcined Kaolinite”中，D.Bridson，T.W.Davies和D.P.Harrison还描述了使用闪烧来处理高岭土。在此方法中，固体被非常快速地进行加热，维持在该温度下短时间段，然后再快速地冷却。高岭土在900℃和1250℃之间温度下闪烧0.2秒至2秒。然而认识到，尽管温度足够高，但仅实现部分脱羟基，因为该短处理时间不足以达到平衡。
在闪烧反应器中，停留时间非常短，这通过在反应器中升高的处理温度来补偿。在诸如粘土或石膏的热敏性物质的情况下，必须遵循最高温度，这涉及到当超过最高温度时材料有被烧结的风险。此外，粘土尤其涉及到火山灰活性在过高温度下消失的风险。火山灰是硅酸盐和铝硅酸盐物质，它们与氢氧化钙(熟石灰)和水发生水硬反应，并形成硅酸钙水合物和钙铝水合物。这些晶体还由于水泥的硬化(水合)来获得，并产生例如混凝土的强度和结构密度。因此，对于高岭土，尤其不应当一直超过800℃的温度。在这样的温度下，由于在闪烧反应器中停留时间短，所以不能实现期望的材料特性。
根据DE 102 60 741 A1，已知的是一种用于处理石膏的方法，其中，在具有再循环旋风分离器的环形流化床反应器中将固体加热到大约750℃的温度，并煅烧成无水石膏。通过环形流化床，实现了足够长的固体停留时间，同时实现了良好的传质和传热。
DE 25 24 540 C2描述了一种用于煅烧过滤的潮湿(filter-moist)氢氧化铝的方法，其中，将氢氧化铝装入到提供有流化空气的流化床反应器，其中通过两级燃烧获得1100℃的温度，并进行煅烧。经过与气体分离之后，将从流化床反应器排出的固体供给到停留时间反应器，其中进而通过以低速率加入气体使固体在1100℃的温度下维持轻微的湍动。经由管道使部分固体流再循环到流化床反应器。反应体系中的停留时间在流化床反应器和停留时间反应器之间以1∶3.3的比值划分。
发明内容
本发明的目标是提出一种能量有效的配置以确保期望的颗粒特性，尤其是在煅烧粘土或粘土类物质或石膏时。
对于该目标的解决方案，通过根据本发明的方法，使固体穿过闪烧反应器，在闪烧反应器中，使固体在450℃至1500℃、优选500℃至890℃的温度下与热气体接触，随后在500℃至890℃的温度下穿过停留时间反应器，在1分钟至600分钟的停留时间之后将固体从停留时间反应器取出，当使用具有固定流化床的反应器时，停留时间优选地在1分钟和60分钟之间，并且当反应器被配置为回转窑时，停留时间在10分钟和600分钟之间，并且可能将固体供给到进一步的处理级。
闪烧反应器提供了第一处理步骤的快速特性。由于颗粒的充分混合，显著地改善了传热和传质，因此化学反应比在旋转管或多膛煅烧炉中进行地要快得多。随后，通过停留时间反应器确保足够的停留时间，从而通过遵循指定的最大温度来提供期望的材料特性。这提供了方法和用于此方法的装置的更经济的设计。
由于在闪烧反应器中的充分混合，所以可能没有任何使被煅烧的材料暂时暴露于比通常可容许的煅烧温度明显高的温度下的风险。热气体的温度可以比闪烧反应器中的平均温度高200℃以上。因为仅与热气体接触非常短暂，且可以快速散热，所以这是可能的。因此，材料没有负面变化。
根据本发明的优选方面，闪烧反应器中的固体的停留时间在0.5秒和20秒之间，优选地在1秒和10秒之间，且尤其在2秒和8秒之间。根据处理的材料和期望的材料特性以及闪烧反应器的构造，可以确定气体速率，因此可以确定固体的停留时间。即使在停留反应器中的最小停留时间仅为1分钟，获得了优选小于1∶6且尤其是小于1∶7.5的在闪烧反应器中非常短的处理时间与在停留时间反应器中的处理时间之比。采用更长的在停留时间反应器中的停留时间，该比值相应地减小至1∶1200。
具体地说，当煅烧粘土或粘土类物质时，根据本发明的闪烧反应器中的温度为大约550℃至850℃，优选600℃至750℃，特别优选在650℃和700℃之间。
闪烧反应器中的温度可以通过例如在上游燃烧室中的外部燃烧和通过闪烧反应器中的内部燃烧来实现。还可以使用来自其它处理步骤或其它装置的热废气。内部燃烧尤其在高于700℃的较高处理温度下是优选的。
根据本发明的开发，可以向闪烧反应器中填装冷的或热的热解产物和/或气化产物或者由亚化学计量燃烧产生的产物(例如，含有CO的气体)，并在闪烧反应器中进行进一步燃烧。然而，还可以使用具有低燃烧温度的特定燃料，例如丙烷。
闪烧反应器中的内部燃烧可以例如通过停留时间、闪烧反应器的尺寸或者构造(例如，构造成管或旋风分离器)来控制。完全的内部燃烧是优选的，但是还可能在闪烧反应器之后提供后燃烧室，以确保燃料的完全燃烧。
当煅烧石膏时，闪烧反应器中的温度为大约540℃至大约880℃，但是当供给热气体时，其优选地为大约650℃至850℃，特别优选地在700℃和750℃之间，在内部燃烧的情况下，其优选地在740℃和850℃之间，特别优选地为大约750℃至800℃。
根据本发明的开发，停留时间反应器中的热处理通过热气体来实现，其中，气体在停留时间反应器中的停留时间优选地在0.1秒和10秒之间。这样，能够非常精确地调节停留时间反应器中的温度。在构成回转窑的停留时间反应器中，固体的停留时间优选地为20分钟至300分钟，在形成为流化床的反应器中，其优选地为1分钟至30分钟。
在根据本发明的粘土或粘土类物质的煅烧中，停留时间反应器中的温度为大约550℃至850℃，优选地为大约600℃至750℃，特别优选地为大约650℃至700℃，由此可靠地防止对火山灰活性造成损害。
然而，在石膏的热处理的情况下，根据本发明的停留时间反应器中的温度略微更高，即大约540℃至880℃，优选地为大约550℃至850℃，特别优选地为大约700℃至800℃。然而，在更高的处理温度下，内部燃烧在这里同样是可能的。
闪烧反应器(其在广泛意义上说为夹带床反应器)中的传递通过夹带固体的气体流来实现。优选地，提供热气体流。根据本发明的优选方面，闪烧反应器中的颗粒弗劳德数(Particle-Froude-Number)在40和300之间，优选地在60和200之间，由此确保固体颗粒非常快速地穿过，并因此具有相应的短停留时间。颗粒弗劳德数均由下面的公式定义：
F r P = u ( ρ s - ρ f ) ρ f * d p * g
其中，
u＝气体流动的有效速率，单位为m/s，
ρs＝固体颗粒的密度，单位为kg/m3，
ρf＝流化气体的有效密度，单位为kg/m3，
dρ＝在反应器的操作期间反应器存量的颗粒(或所形成的颗粒)的平均直径，单位为m，
g＝重力常数，单位为m/s2。
当使用该公式时，应当认为，dρ不表示供给到反应器的材料的晶粒大小(d50)，而是表示在反应器的操作期间形成的反应器存量的平均直径，其可能在两个方向上显著不同于所使用的材料(初始颗粒)的平均直径。由平均直径为3μm至10μm的非常细的颗粒材料，例如在引入到装置或闪烧反应器中之前或者在热处理期间，形成晶粒大小为20μm至30μm的颗粒(二次颗粒)。另一方面，所形成的一些材料或二次颗粒在热处理期间或者由于气体流动的机械负荷而碎裂。
根据本发明，方法的效率提高之处在于固体在引入到闪烧反应器中之前进行预热。对于预热，优选完全地或部分地使用来自闪烧反应器的废气。在预热期间，通常获得粉尘，可以将其直接供给到闪烧反应器或停留时间反应器。
根据本发明的开发，将停留时间反应器的废气再循环到闪烧反应器，从而提高方法的产率。首先，可以例如通过旋风分离器粗略地净化载有粉尘的废气，并可以将分离的粉尘供给到冷却装置。为了使包含在废气中的热量的利用率最优化，根据本发明，将热再循环到预热级。
随后，直接或间接冷却来自停留时间反应器的热固体，热量优选地用于加热闪烧反应器或上游燃烧室的燃烧气体。还可以在方法中使用在可能存在的后燃烧室中产生的热量，例如用于对气体或固体进行预热。
本发明还扩展到用于细粒矿物固体的热处理的装置，尤其是用于煅烧粘土和石膏的装置，其适合于用于执行上述方法。根据本发明，该装置包括：闪烧反应器，固体在450℃至1500℃、优选500℃至890℃的温度下穿过该闪烧反应器；和停留时间反应器，固体随后在500℃至890℃的温度下穿过该停留时间反应器。
根据本发明的一方面，停留时间反应器为回转窑。根据本发明的另一优选方面，停留时间反应器包括气-固悬浮床例如固定流化床或者输送区。
根据本发明的开发，在停留时间反应器之后布置有冷却系统，其包括直接和/或间接冷却级，特别是冷却旋风分离器和/或流化床冷却器。在直接冷却级中，冷却介质直接接触要被冷却的产物。甚至在冷却处理期间，仍可以进行期望的反应，例如产物精炼。另外，直接冷却级的冷却效果特别好。在间接冷却级中，冷却借助于流过冷却盘管的冷却介质来实现。
为了调节在闪烧反应器中需要的处理温度，在闪烧反应器的上游提供具有用于燃料、氧气和/或加热气体优选为空气的供给管的燃烧室，将燃烧室的废气作为热输送气体引入到闪烧反应器中。然而，当反应器温度被选择为足够高以便点火和稳定燃烧(闪烧反应器中的内部燃烧)时，可以省去燃烧室。
根据本发明的开发，在闪烧反应器之前提供用于预热固体的至少一个预热级。
为了将固体颗粒与气体流分离，根据本发明，在反应器的下游提供分离器，具体而言是旋风分离器。
附图说明
还可以根据附图和实施方案的以下描述获知本发明的其它特征、优点和可能的应用。所描述和/或示出的所有特征单独地或以任何组合形成本发明的主题，而与它们是否包括在权利要求书中或它们的背景文献中无关。
在附图中：
图1示出了本发明的方法的基本流程图；
图2示出了用于煅烧粘土的方法的方面；以及
图3示出了用于煅烧石膏的方法的方面。
具体实施方式
图1示意性地示出了用于执行本发明的方法的装置。
经由供给管1，将要被处理的固体例如粘土或石膏供给到预热级2，并加热到大约300℃的温度。经由废气管，将废气供给到装置的未示出的除尘器或其它部件。然后，在将固体供给到闪烧反应器5之前，将它们在第二预热级4中加热到300℃至500℃的温度。在闪烧反应器5(其例如是高度为约30m的夹带床反应器)中，在600℃至850℃、尤其是650℃至700℃(粘土)或700℃至750℃(石膏)的温度下，使用在燃烧室6中产生的热气体煅烧固体。引入到闪烧反应器5中的热气体的体积流量使获得的颗粒弗劳德数为40至300，特别是大约60至200，且固体通过闪烧反应器5非常快地输送。根据本发明，提供优选为2秒至8秒的停留时间。然而，根据材料和期望的热处理，固体在闪烧反应器中的停留时间还可以在0.5秒和20秒之间。
将随同热输送气体一起从闪烧反应器5中排出的固体在未示出的分离器特别是旋风分离器中与该输送气体分离，并供给到被构造成回转窑或固定流化床的停留时间反应器7，其中，根据固体的组成(闪烧的结果)和期望的产物特性，使固体经历热处理1分钟至600分钟，当停留时间反应器7包括固定流化床时，热处理时间为1分钟至30分钟，当停留时间反应器7被构造为回转窑时，热处理时间为10分钟至600分钟。
根据本发明，停留时间反应器7中的温度为大约550℃至850℃，对于粘土的煅烧而言，优选地为大约650℃至700℃，而对于石膏的煅烧而言，其优选地为大约700℃至750℃。停留时间反应器7中的温度通过经由管8供给的供给空气来控制。气体在停留时间反应器7中的停留时间在1秒和10秒之间，从而可以非常精确地调节并改变温度，以达到期望的产物性能。另外，可以将燃料供给到停留时间反应器7，以用于内部燃烧。经由返回管9，将来自停留时间反应器7的载有粉末的废气再循环到第二预热级4。在该方法中，还可以将载有粉尘的废气粗略地进行除尘。
将固体从停留时间反应器7中取出，并供给到第一冷却级10，在第一冷却级10中，按照与助燃空气逆流的方式，以一级或多级方式冷却产物，其中，可以执行直接或间接冷却。经由管11，将以这种方式加热的空气作为助燃空气供给到燃烧室6，在燃烧室6中，经由燃料管12供给的燃料燃烧，并由此加热助燃空气，随后将助燃空气供给到闪烧反应器5。预热后的空气的一部分还可以用于在停留时间反应器中进行流化。
随后，还可以在第二冷却级13中使用空气进一步冷却产物，然后将产物供给到流化床冷却器14，在流化床冷却器14中，使用空气和/或冷却水将固体冷却到期望的产物温度，例如大约50℃至60℃。
实施例1(粘土的煅烧)
在图2中示意性地示出的用于每天生产1300吨煅烧粘土的装置使用净热值(NCV)为50000kJ/kg的天然气来工作。
在7％的湿气下，以两个连续预热级将富含高岭土的粘土类原料预热到500℃的温度，并进料到闪烧反应器5，这两个连续预热级由文丘里管预热器2a、4a和旋风分离器2b、4b组成。闪烧反应器在650℃至700℃下工作，且停留时间为5秒。停留时间反应器7被构造为固定流化床反应器，并在630℃至680℃下工作。期望的是颗粒弗劳德数为3，由于粒度的变化，其在操作中处于2至4的范围内。停留时间为13分钟至22分钟，优选地为16分钟至20分钟。
在燃烧室6中产生用于调节在闪烧反应器5中所需的处理温度的热空气。为了在1000℃的温度下提供77000Nm3/h的热气体，需要1600kg/h天然气。通过对离开停留时间反应器7的温度为650℃的产物进行冷却而将助燃空气预热至340℃的温度，并将助燃空气供给到燃烧室6中的燃烧中。在该方法中，将产物从650℃冷却到大约150℃，并最终在流化床冷却器14中冷却到55℃的期望最终温度。
实施例2(石膏的煅烧)
在图3中示意性地示出的用于每天生产700吨煅烧石膏的装置使用净热值(NCV)为22100kJ/kg的褐煤来工作。
在8％的湿气下，以两个连续预热级将原料预热到320℃的温度，并进行预煅烧，这两个连续预热级由文丘里管预热器2a、4a和旋风分离器2b、4b组成；通过向文丘里管4a供给1050℃的热气体，向文丘里管4a供给另外的热量，其中，在燃烧室15中使用0.5t/h的褐煤和7500Nm3/h的空气产生该热空气。将预热且预煅烧过的固体进料到闪烧反应器5。该闪烧反应器在700℃至750℃下工作，且停留时间为10秒。停留时间反应器7被构造为固定流化床反应器，并在700℃下工作。期望的是颗粒弗劳德数为3，由于粒度的变化，其在操作中处于2至4的范围内。停留时间为15分钟至25分钟，优选地为18分钟至22分钟。
在燃烧室6中产生用于调节在闪烧反应器5中所需的处理温度的热空气。为了在1050℃的温度下生成27000Nm3/h的热气体，需要1.5t/h褐煤。通过对离开停留时间反应器7的温度为700℃的产物进行冷却而将需要的26300Nm3/h的助燃空气预热至250℃的温度，并将助燃空气供给到燃烧室6中的燃烧中。在该方法中，将产物从700℃冷却到大约250℃，并最终在流化床冷却器14中使用冷却水冷却到60℃的期望最终温度。
附图标记列表
1供给管
2第一预热级
2a文丘里管预热器
2b旋风分离器
3废气管
4第二预热级
4a文丘里管预热器
4b旋风分离器
5闪烧反应器
6燃烧室
7停留时间反应器
8空气管
9返回管
10第一冷却级
11助燃空气管
12燃料管
13第二冷却级
14流化床冷却器
15燃烧室

Claims (21)

1.一种用于细粒矿物固体的热处理的方法，特别是用于煅烧粘土或石膏的方法，其中使所述固体穿过闪烧反应器，在所述闪烧反应器中，使所述固体在450℃至1500℃、优选500℃至890℃的温度下与热气体接触，且其中使所述固体随后在500℃至890℃的温度下穿过停留时间反应器，在1分钟至600分钟的停留时间之后将所述固体从所述停留时间反应器中取出，并可能供给到进一步的处理级。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固体在所述闪烧反应器中的停留时间在0.5秒和20秒之间，优选地在1秒和10秒之间，且尤其在2秒和8秒之间。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述停留时间反应器包括固定流化床，且特征在于在所述停留时间反应器中的停留时间为1分钟至60分钟，优选地为1分钟至30分钟。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述停留时间反应器被构造成回转窑，且特征在于在所述停留时间反应器中的停留时间为10分钟至600分钟，优选地在20分钟至300分钟。
5.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，具体对于粘土的煅烧，所述闪烧反应器中的温度为大约550℃至850℃。
6.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，具体对于石膏的煅烧，所述闪烧反应器中的温度为大约540℃至880℃。
7.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，所述闪烧反应器(5)中的气体通过内部燃烧来加热。
8.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，所述停留时间反应器中的热处理通过热气体来进行，且所述气体在所述停留时间反应器中的停留时间在0.1秒和10秒之间。
9.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，具体对于粘土的煅烧，所述停留时间反应器中的温度为大约550℃至850℃。
10.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，具体对于石膏的煅烧，所述停留时间反应器中的温度为大约540℃至880℃。
11.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，所述闪烧反应器中的颗粒弗劳德数在40和300之间。
12.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，所述固体在引入到所述闪烧反应器中之前被预热。
13.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，将所述停留时间反应器中的废气再循环到所述闪烧反应器或再循环到预热级。
14.一种用于细粒矿物固体的热处理的装置，例如用于煅烧粘土或石膏的装置，特别是用于执行根据前述权利要求中任一项的方法的装置，包括：闪烧反应器(5)，所述固体在450℃至1500℃、优选500℃至890℃的温度下穿过所述闪烧反应器(5)；和停留时间反应器(7)，所述固体随后在500℃至890℃的温度下穿过所述停留时间反应器(7)。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述停留时间反应器(7)为回转窑。
16.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述停留时间反应器(7)包括固定流化床。
17.根据权利要求14至16中任一项的装置，其特征在于，在所述停留时间反应器(7)的下游提供冷却系统，所述冷却系统包括至少一个直接和/或间接冷却级(10、13、14)，尤其包括冷却旋风分离器和/或流化床冷却器。
18.根据权利要求14至17中任一项的装置，其特征在于，在所述闪烧反应器(5)的上游提供燃烧室(6)，以产生热气体。
19.根据权利要求14至18中任一项的装置，其特征在于，在所述闪烧反应器(5)的上游提供至少一个预热级(2、4)，以用于预热所述固体。
20.根据权利要求14至19中任一项的装置，其特征在于，在所述闪烧反应器(5)的下游提供分离器，尤其是旋风分离器。
21.根据权利要求14至20中任一项的装置，其特征在于，用于将所述停留时间反应器(7)的废气再循环到所述闪烧反应器(5)或预热级(2、4)的返回管(9)。
CN2009801132594A 2008-04-24 2009-04-20 用于细粒矿物固体的热处理的方法和装置 Pending CN102006926A (zh)

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