DE102008020600A1

DE102008020600A1 - Verfahren und Anlage zur Wärmebehandlung feinkörniger mineralischer Feststoffe

Info

Publication number: DE102008020600A1
Application number: DE102008020600A
Authority: DE
Inventors: Edgar Dr. Gasafi; Günter Schneider; Michael Missalla
Original assignee: Outotec Oyj
Current assignee: Outotec Oyj
Priority date: 2008-04-24
Filing date: 2008-04-24
Publication date: 2009-10-29
Anticipated expiration: 2028-04-25
Also published as: GB2471256B; GB201018472D0; GB2471256A; CN102006926A; AU2009240266A1; EA201001697A1; EA020656B1; DE102008020600B4; BRPI0911595A2; FI123837B; CA2718385A1; FI20100385A; US20110034318A1; WO2009129977A1

Abstract

Bei der Wärmebehandlung feinkörniger mineralischer Feststoffe, insbesondere der Kalzinierung von Ton oder Gips, werden die Feststoffe durch einen Flash-Reaktor (5) hindurchgeführt, in welchem sie bei einer Temperatur von 450 bis 1500°C mit heißen Gasen in Kontakt gebracht werden, und anschließend bei einer Temperatur von 550 bis 800°C durch einen Verweilzeitreaktor (7) geführt, aus welchem sie nach einer Verweilzeit von 1 bis 600 Minuten abgezogen und ggf. einer weiteren Behandlungsstufe zugeführt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung feinkörniger mineralischer Feststoffe, insbesondere zur Kalzinierung von Ton bzw. tonartigen Substanzen oder Gips, sowie eine Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens.
Die Kalzinierung feinkörniger mineralischer Feststoffe, wie bspw. Ton erfolgt herkömmlicherweise in Drehrohröfen oder Etagenröstöfen. Hierdurch wird die Einhaltung einer niedrigen Temperatur bei einer für die Behandlung bei diesem Verfahren notwendigen Verweilzeit gewährleistet. So beschreibt das US-Patent 4,948,362 ein Verfahren zur Kalzinierung von Ton, bei welchem Kaolinton zur Erhöhung des Glanzes und zur Minimierung der Abrasivität in einem Etagenröstofen mit Hilfe eines heißen Kalzinierungsgases behandelt wird. In einem elektrostatischen Filter wird das kalzinierte Tonpulver von dem Abgas des Kalzinierungsofens getrennt und weiterverarbeitet, um das gewünschte Produkt zu erhalten.
Es sind zudem Verfahren bekannt, die es ermöglichen, bewegliches Anlagenequipment, wie ein Drehrohr oder rotierende Abstreifer bei Etagenröstöfen, zu vermeiden und die Verweilzeit zu reduzieren. Hierzu zählen Flash-Reaktoren und Wirbelschichttechnologien.
Aus dem US-Patent 6,168,424 ist eine Anlage zur Wärmebehandlung von suspendierten mineralischen Feststoffen, insbesondere Ton, bekannt, in welcher die Feststoffe nach einer Vorwärmung in mehreren Vorwärmstufen einem Flash-Reaktor zugeführt werden. In dem Flash-Reaktor werden die Feststoffe mittels heißer Gase, die in einer Brennkammer erzeugt werden, in einer Wärmebe handlungsleitung kalziniert. Das so erzeugte Produkt wird anschließend in mehreren Kühlstufen auf die gewünschte Produkttemperatur abgekühlt.
Auch D. Bridson, T. W. Davies und D. P. Harrison beschreiben in dem Aufsatz "Properties of Flash-Calcined Kaolinite" in "Clays and Clay Minerals", Vol. 33, No. 3, 258–260, 1985 den Einsatz einer Flash-Kalzinierung zur Behandlung von Kaolin. Hierbei werden die Feststoffe sehr schnell aufgeheizt, für eine kurze Zeit auf der Temperatur gehalten und dann wieder schnell abgekühlt. Das Kaolin wurde bei Temperaturen zwischen 900 und 1250°C für 0,2 bis 2 Sekunden flash-kalziniert. Es wurde jedoch erkannt, dass hierbei trotz ausreichend hoher Temperatur nur eine teilweise Dehydroxylierung erfolgt, da diese kurze Behandlungszeit nicht ausreicht, um ein Gleichgewicht zu erreichen.
Bei Flash-Reaktoren ist die Verweilzeit sehr gering, was durch eine erhöhte Behandlungstemperatur im Reaktor ausgeglichen wird. Bei temperaturempfindlichen Stoffen, bspw. Ton oder Gips, sind Maximaltemperaturen einzuhalten, bei deren Überschreitung die Gefahr einer Materialversinterung besteht. Bei Ton besteht zudem insbesondere die Gefahr, dass bei überhöhten Temperaturen die puzzolanische Reaktivität verloren geht. Puzzolane sind silicatische und alumosilicatische Stoffe, die mit Calciumhydroxid (Kalkhydrat) und Wasser hydraulisch reagieren und Calciumsilicathydrate und Calciumaluminahydrate bilden. Diese Kristalle entstehen auch bei der Erhärtung (Hydratation) von Zement und bewirken bspw. die Festigkeit und Gefügedichtigkeit von Beton. Für kaolinitischen Ton ist daher eine Temperatur von 800°C möglichst nicht dauerhaft zu überschreiten. Bei derartigen Temperaturen können jedoch die gewünschten Materialeigenschaften aufgrund der kurzen Verweilzeit im Flash-Reaktor nicht erreicht werden.
Aus der DE 102 60 741 A1 ist ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Gips bekannt, bei welchem die Feststoffe in einem Ringwirbelschichtreaktor mit Rückführzyklon auf eine Temperatur von ca. 750°C erwärmt und zu Anhydrit kalziniert werden. Durch die Ringwirbelschicht wird gleichzeitig eine ausreichend lange Feststoffverweilzeit und ein guter Stoff- und Wärmeaustausch erreicht.
Die DE 25 24 540 C2 beschreibt ein Verfahren für die Kalzinierung von filterfeuchtem Aluminiumhydroxid, bei welchem das Aluminiumhydroxid einem mit Fluidisierungsluft beaufschlagten Wirbelschichtreaktor, in dem durch zweistufige Verbrennung eine Temperatur von 1100°C entsteht, aufgegeben und kalziniert wird. Der aus dem Wirbelschichtreaktor ausgetragene Feststoff wird nach Abtrennung des Gases einem Verweilzeitreaktor zugeführt, in dem der Feststoff wiederum bei einer Temperatur von 1100°C durch Zugabe von Gas mit geringer Geschwindigkeit in leichter Wirbelbewegung gehalten wird. Ein Teilstrom des Feststoffs wird über eine Leitung in den Wirbelschichtreaktor zurückgeführt. Die Verweilzeit im Reaktorsystem teilt sich zwischen Wirbelschichtreaktor und Verweilzeitreaktor im Verhältnis 1:3,3 auf.
Aufgabe der Erfindung ist es, insbesondere bei der Kalzinierung von Ton bzw. tonartigen Substanzen oder Gips eine energieeffiziente Gestaltung zur Gewährleistung der gewünschten Partikeleigenschaften vorzuschlagen.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung die Feststoffe durch einen Flash-Reaktor hindurchgeführt, in welchem sie bei einer Temperatur von 450 bis 1500°C, vorzugsweise 500 bis 890°C mit heißen Gasen in Kontakt gebracht werden, und anschließend bei einer Temperatur von 500 bis 890°C durch einen Verweilzeitreaktor geführt, aus welchem sie nach einer Verweilzeit von einer bis 600 Minuten, vorzugsweise zwischen 1 und 60 Minuten bei der Verwendung eines Reaktors mit stationärer Wirbelschicht und zwischen 10 und 600 Minuten bei Ausgestaltung als Drehrohr, abgezogen und ggf. einer weiteren Behandlungsstufe zugeführt werden.
Der Flash-Reaktor ermöglicht eine rasche Durchführung des ersten Behandlungsschrittes. Durch die intensive Durchmischung der Partikel wird der Wärme- und Stoffaustausch wesentlich verbessert, so dass chemische Reaktionen sehr viel schneller ablaufen als in einem Drehrohr- oder Etagenröstofen. Anschließend wird durch den Verweilzeitreaktor eine ausreichende Verweilzeit zur Erfüllung der gewünschten Materialeigenschaften unter Einhaltung der vorgegebenen Maximaltemperatur gewährleistet. Dadurch ergibt sich eine wirtschaftlichere Gestaltung des Prozesses und der dafür genutzten Anlage.
Durch die intensive Durchmischung im Flash-Reaktor ist es gefahrlos möglich, das zu kalzinierende Material kurzfristig einer deutlich höheren Temperatur auszusetzen als der üblicherweise zulässigen Kalzinierungstemperatur. Die Temperatur des heißen Gases kann mehr als 200°C über der durchschnittlichen Temperatur im Flash-Reaktor liegen. Dies ist möglich, weil der Kontakt mit dem heißen Gas nur sehr kurz ist und eine schnelle Wärmeabfuhr möglich ist. Eine negative Materialveränderung findet so nicht statt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Verweilzeit der Feststoffe im Flash-Reaktor zwischen 0,5 und 20 Sekunden, vorzugsweise zwischen einer und zehn Sekunden und insbesondere zwischen zwei und acht Sekunden. In Abhängigkeit von den behandelten Materialien und gewünschten Materialeigenschaften sowie dem Aufbau des Flash-Reaktors können die Gasgeschwindigkeiten und damit die Verweilzeiten der Feststoffe festgelegt werden. Damit ergibt sich selbst bei einer minimalen Verweildauer im Verweilzeitreaktor von nur einer Minute eine im Verhältnis zum Verweilzeitreaktor sehr kurze Behandlungsdauer im Flash-Reaktor von vorzugsweise kleiner 1:6 und insbesondere kleiner 1:7,5. Dieses Verhältnis verkleinert sich bei längerer Verweildauer im Verweilzeitreaktor entsprechend auf bis zu 1:1200.
Insbesondere bei der Kalzinierung von Ton bzw. tonartigen Substanzen liegt die Temperatur im Flash-Reaktor erfindungsgemäß bei 550 bis 850°C, vorzugsweise 600 bis 750°C und besonders bevorzugt zwischen 650 und 700°C.
Die Temperatur im Flash-Reaktor kann sowohl durch eine externe Verbrennung, z. B. in einer vorgeschalteten Brennkammer, als auch durch eine interne Verbrennung im Flash-Reaktor erzeugt werden. Auch heiße Abgase aus anderen Prozessschritten oder anderen Anlagen können Verwendung finden. Die Innenverbrennung wird insbesondere bei höheren Prozesstemperaturen über 700°C bevorzugt.
In einer Weiterführung der Erfindung ist es möglich, den Flash-Reaktor mit kalten oder heißen Pyrolyse- und/oder Vergasungsprodukten oder Produkten aus unterstöchiometrischen Verbrennungen (z. B. CO-haltige Gase) zu beschicken und eine weitere Verbrennung im Flash-Reaktor durchzuführen. Es können aber auch spezielle Brennstoffe mit niedriger Brenntemperatur, z. B. Propan, eingesetzt werden.
Die Innenverbrennung im Flash-Reaktor kann z. B. durch die Verweilzeit, die Größe des Flash-Reaktors oder die Bauart, z. B. als Rohr oder als Zyklon, gesteuert werden. Bevorzugt ist eine vollständige Innenverbrennung, es ist aber auch möglich, nach dem Flash-Reaktor eine Nachbrennkammer anzuordnen, um eine vollständige Verbrennung des Brennstoffes zu gewährleisten.
Bei der Kalzinierung von Gips liegt die Temperatur im Flash-Reaktor bei 540 bis 880°C, aber bei Zufuhr heißer Gase vorzugsweise bei 650 bis 850°C und besonders bevorzugt zwischen 700 und 750°C, bei Innenverbrennung bevorzugt zwischen 740 und 850°C, besonders bevorzugt bei 750 bis 800°C.
Die Wärmebehandlung im Verweilzeitreaktor erfolgt gemäß einer Weiterbildung der Erfindung mittels heißer Gase, wobei die Verweilzeit der Gase im Verweil zeitreaktor vorzugsweise zwischen 0,1 und zehn Sekunden beträgt. Hierdurch lässt sich die Temperatur im Verweilzeitreaktor sehr genau einstellen. Die Verweilzeit der Feststoffe beträgt in einem Verweilzeitreaktor, der als Drehrohrofen ausgebildet ist, bevorzugt 20 bis 300 min und in einem als Wirbelschicht ausgebildeten Reaktor bevorzugt 1 bis 30 min.
Bei der Kalzinierung von Ton bzw. tonartigen Substanzen liegt die Temperatur im Verweilzeitreaktor erfindungsgemäß bei 550 bis 850°C, vorzugsweise bei 600 bis 750°C und besonders bevorzugt bei etwa 650 bis 700°C, wodurch eine Beeinträchtigung der puzzolanischen Reaktivität zuverlässig verhindert wird.
Wird dagegen Gips wärmebehandelt, so liegt die Temperatur im Verweilzeitreaktor erfindungsgemäß etwas höher, nämlich bei 540 bis 880°C, vorzugsweise bei 550 bis 850°C und besonders bevorzugt bei 700 bis 800°C. Bei den höheren Prozesstemperaturen ist hier jedoch ebenfalls eine Innenverbrennung möglich.
Die Förderung im Flash-Reaktor, bei dem es sich im weiteren Sinne um einen Flugstromreaktor handelt, erfolgt durch einen Gasstrom, der die Feststoffe mitreißt. Bevorzugt wird ein heißer Gasstrom zugeführt. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, liegt die Partikel-Froude-Zahl im Flash-Reaktor zwischen 40 und 300, vorzugsweise zwischen 60 und 200, wodurch gewährleistet wird, dass die Feststoffpartikel sehr schnell und damit mit entsprechend kurzen Verweilzeiten durchlaufen. Dabei sind die Partikel-Froude-Zahlen jeweils nach der folgenden Gleichung definiert:
mit

u: = effektive Geschwindigkeit der Gasströmung in m/s
ρ_s: = Dichte eines Feststoffpartikels in kg/m³
ρ_f: = effektive Dichte des Fluidisierungsgases in kg/m³
d_p: = mittlerer Durchmesser der beim Reaktorbetrieb vorliegenden Partikel des Reaktorinventars (bzw. der sich bildenden Teilchen) in m
g: = Gravitationskonstante in m/s².

Bei der Anwendung dieser Gleichung gilt zu berücksichtigen, dass d_p nicht die Korngröße (d₅₀) des dem Reaktor zugeführten Materials bezeichnet, sondern den mittleren Durchmesser des sich während des Betriebs des Reaktors bildenden Reaktorinventars, welcher von dem mittleren Durchmesser des eingesetzten Materials (Primärteilchen) signifikant in beide Richtungen abweichen kann. Aus sehr feinkörnigem Material mit einem mittleren Durchmesser von 3 bis 10 μm bilden sich bspw. vor dem Eintrag in die Anlage oder den Flash-Reaktor oder während der Wärmebehandlung Teilchen (Sekundärteilchen) mit einer Korngröße von 20 bis 30 μm. Andererseits zerfallen manche Materialien oder gebildete Sekundärteilchen, während der Wärmebehandlung oder durch die mechanische Belastung im Gasstrom.
Die Effizienz des Verfahrens wird erfindungsgemäß dadurch gesteigert, dass die Feststoffe vor Einführung in den Flash-Reaktor vorgewärmt werden. Zur Vorwärmung werden bevorzugt vollständig oder teilweise Abgase aus dem Flash-Reaktor verwendet. Bei der Vorwärmung fallen üblicherweise Stäube an, die direkt dem Flash-Reaktor oder dem Verweilzeitreaktor zugeführt werden können.
Das Abgas des Verweilzeitreaktors wird in Weiterbildung der Erfindung zu dem Flash-Reaktor zurückgeführt, um die Ausbeute des Prozesses zu erhöhen. Das staubbeladene Abgas kann vorher grob gereinigt werden, z. B. mit einem Zyklon, und der abgetrennte Staub den Kühleinrichtungen zugeführt werden. Zur optimalen Ausnutzung der in dem Abgas enthaltenen Wärme erfolgt die Rückführung erfindungsgemäß zu einer Vorwärmstufe.
Die heißen Feststoffe aus dem Verweilzeitreaktor werden im Anschluss direkt oder indirekt gekühlt und die Wärme bevorzugt zum Erhitzen des Verbrennungsgases für den Flash-Reaktor oder der vorgeschalteten Brennkammer verwendet. Die in einer evtl. vorhandenen Nachbrennkammer erzeugte Wärme kann ebenfalls im Prozess, z. B. zur Vorwärmung des Gases oder des Feststoffes, eingesetzt werden.
Die Erfindung erstreckt sich auch auf eine Anlage zur Wärmebehandlung feinkörniger mineralischer Feststoffe, insbesondere zur Kalzinierung von Ton und Gips, die zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens geeignet ist. Die Anlage umfasst erfindungsgemäß einen Flash-Reaktor, durch welchen die Feststoffe bei einer Temperatur von 450 bis 1500°C, vorzugsweise 500 bis 890°C, hindurchgeführt werden, und einen Verweilzeitreaktor, durch welchen die Feststoffe anschließend bei einer Temperatur von 500 bis 890°C hindurchgeführt werden.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Verweilzeitreaktor ein Drehrohrofen. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Verweilzeitreaktor eine Gas-Feststoff-Suspension, z. B. eine stationäre Wirbelschicht auf oder eine Förderstrecke.
Hinter dem Verweilzeitreaktor ist in Weiterbildung der Erfindung ein Kühlsystem bestehend aus direkten und/oder indirekten Kühlstufen, insbesondere Kühlzyklonen und/oder Wirbelschichtkühlern, angeordnet. Bei einer direkten Kühlstufe tritt das Kühlmedium mit dem zu kühlenden Produkt unmittelbar in Kontakt.
Dabei können auch während des Kühlprozesses noch gewünschte Reaktionen, bspw. Produktveredelungen, durchgeführt werden. Zudem ist die Kühlwirkung bei direkten Kühlstufen besonders gut. Bei indirekten Kühlstufen findet Kühlung mittels eines durch eine Kühlschlange strömenden Kühlmediums statt.
Zur Einstellung der notwendigen Prozesstemperaturen in dem Flash-Reaktor ist diesem eine Brennkammer mit Zufuhrleitungen für Brennstoff, Sauerstoff und/oder erwärmtes Gas, bevorzugte Luft, vorgeschaltet, deren Abgas als heißes Fördergas in den Flash-Reaktor eingeleitet wird. Die Brennkammer kann aber auch entfallen, wenn die Reaktortemperatur ausreichend hoch für eine Zündung und stabile Verbrennung gewählt werden kann (Innenverbrennung im Flash-Reaktor).
Vor dem Flash-Reaktor ist in Weiterbildung der Erfindung wenigstens eine Vorwärmstufe zur Vorwärmung der Feststoffe vorgesehen.
Um die Feststoffpartikel aus dem Gasstrom abzuscheiden, ist dem Flash-Reaktor erfindungsgemäß eine Trenneinrichtung, insbesondere ein Abscheidezyklon, nachgeschaltet.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Es zeigen:
1 ein prinzipielles Fliessbild des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 eine Ausgestaltung des Verfahrens für die Tonkalzinierung und
3 eine Ausgestaltung des Verfahrens für die Gipskalzinierung
1 zeigt schematisch eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die zu behandelnden Feststoffe, bspw. Ton oder Gips, werden über eine Zufuhrleitung 1 einer ersten Vorwärmstufe 2 zugeführt und auf eine Temperatur von etwa 300°C aufgeheizt. Das Abgas wird über eine Abgasleitung einer nicht dargestellten Staubabscheidung oder anderen Anlagenteilen zugeführt. Die Feststoffe werden anschließend in einer zweiten Vorwärmstufe 4 auf eine Temperatur von 300 bis 500°C aufgeheizt, bevor sie einem Flash-Reaktor 5 zugeführt werden. In dem Flash-Reaktor 5, bei dem es sich bspw. um einen Flugstromreaktor mit einer Höhe von ca. 30 m handelt, werden die Feststoffe mit heißen Gasen, die in einer Brennkammer 6 erzeugt werden, bei einer Temperatur von 600 bis 850°C, insbesondere 650 bis 700°C (Ton) oder 700 bis 750°C (Gips), kalziniert. Es wird ein solcher Volumenstrom an Heißgasen in den Flashreaktor 5 eingeführt, dass sich eine Partikel-Froude-Zahl von 40 bis 300, insbesondere etwa 60 bis 200, ergibt und die Feststoffe sehr schnell durch den Flash-Reaktor 5 gefördert werden. Erfindungsgemäß ist eine Verweilzeit von vorzugsweise zwei bis acht Sekunden vorgesehen. Je nach Material und gewünschter Wärmebehandlung kann im Flash-Reaktor die Verweilzeit der Feststoffe aber auch zwischen 0,5 und 20 Sekunden liegen.
Die mit dem heißen Fördergas aus dem Flash-Reaktor 5 austretenden Feststoffe werden in einem nicht dargestellten Abscheider, insbesondere einem Zyklon, von dem Fördergas getrennt und einem Verweilzeitreaktor 7, der als Drehrohrofen oder stationäre Wirbelschicht ausgestaltet ist, zugeführt, in welchem die Feststoffe je nach ihrer Zusammensetzung (Ergebnis der Flash-Kalzinierung) und den gewünschten Produkteigenschaften für 1 bis 600 Minuten wärmebehandelt werden, vorzugsweise für 1 bis 30 Minuten, wenn der Verweilzeitreaktor 7 eine stationäre Wirbelschicht aufweist, und für 10 bis 600 Minuten, wenn der Verweilzeitreaktor 7 als Drehrohr ausgestaltet ist.
Die Temperatur in dem Verweilzeitreaktor 7 liegt erfindungsgemäß bei 550 bis 850°C und bei der Kalzinierung von Ton vorzugsweise bei 650 bis 700°C, während sie bei der Kalzinierung von Gips vorzugsweise bei etwa 700 bis 750°C liegt. Die Temperatur im Verweilzeitreaktor 7 wird über Zufuhrluft geregelt, die über eine Leitung 8 zugeführt wird. Die Verweilzeit der Gase im Verweilzeitreaktor 7 beträgt zwischen 1 und 10 Sekunden, so dass die Temperatur sehr genau eingestellt und an die gewünschten Produkteigenschaften angepasst werden kann. Zusätzlich kann dem Verweilzeitreaktor 7 für eine Innenverbrennung Brennstoff zugeführt werden. Das staubbeladene Abgas aus dem Verweilzeitreaktor 7 wird über eine Rückführleitung 9 zu der zweiten Vorwärmstufe 4 zurückgeführt. Hierbei kann das staubbeladene Abgas auch grob entstaubt werden.
Die Feststoffe werden aus dem Verweilzeitreaktor 7 abgezogen und einer ersten Kühlstufe 10 zugeführt, in welcher das Produkt in einer oder mehreren Stufen im Gegenstrom zu der Verbrennungsluft gekühlt wird, wobei eine direkte oder indirekte Kühlung vorgenommen werden kann. Die so erwärmte Luft wird als Verbrennungsluft über die Leitung 11 der Brennkammer 6 zugeführt, in welcher Brennstoff, der über eine Brennstoffleitung 12 zugeführt wird, verbrannt wird und dadurch die Verbrennungsluft aufheizt, welche anschließend dem Flash-Reaktor 5 zugeführt wird. Ein Teil der vorgewärmten Luft kann auch für die Fluidisierung des Verweilzeitreaktors verwendet werden.
Das Produkt kann anschließend in einer zweiten Kühlstufe 13 mit Luft weiter abgekühlt und dann einem Wirbelschichtkühler 14 zugeführt werden, in wel chem die Feststoffe mit Luft und/oder Kühlwasser auf die gewünschte Produkttemperatur, bspw. etwa 50 bis 60°C, abgekühlt werden.
Beispiel 1 (Tonkalzinierung)
Eine in 2 schematisch dargestellte Anlage zur Herstellung von 1300 t kalziniertem Ton pro Tag wird mit Erdgas betrieben, welches einen Heizwert (Hu) von 50000 kJ/kg besitzt.
Das kaolinreiche, tonartige Ausgangsmaterial wird bei einer Feuchte von 7% in zwei aufeinander folgenden Vorwärmstufen, die aus Venturi-Vorwärmern 2a, 4a und Abscheidezyklonen 2b, 4b bestehen, auf eine Temperatur von 500°C vorgewärmt und dem Flash-Reaktor 5 aufgegeben. Dieser wird bei 650 bis 700°C und einer Verweilzeit von 5 Sekunden betrieben. Der Verweilzeitreaktor 7 ist als stationärer Wirbelschichtreaktor ausgeführt und wird bei 630 bis 680°C betrieben. Dabei wird eine Partikel-Froude-Zahl von 3 angestrebt, die beim Betrieb aufgrund der Partikelgrößenschwankung im Bereich von 2 bis 4 liegt. Die Verweilzeit beträgt 13 bis 22 min, bevorzugt 16 bis 20 min.
Das Heißgas zur Einstellung der notwendigen Prozesstemperatur im Flash-Reaktor 5 wird in einer Brennkammer 6 erzeugt. Zur Bereitstellung von 77000 Nm³/h Heißgas bei einer Temperatur von 1000°C werden 1600 kg/h Erdgas benötigt. Die Verbrennungsluft wird durch Kühlung des 650°C heißen, den Verweilzeitreaktor 7 verlassenden Produktes, auf eine Temperatur von 340°C vorgewärmt und der Verbrennung in der Brennkammer 6 zugeführt. Dabei kühlt sich das Produkt von 650°C auf etwa 150°C ab und wird schließlich in einem Wirbelschichtkühler 14 auf die gewünschte Endtemperatur von 55°C abgekühlt.
Beispiel 2 (Gipskalzinierung)
Eine in 3 schematisch dargestellte Anlage zur Herstellung von 700 t kalziniertem Gips pro Tag wird mit Braunkohle betrieben, welche einen Heizwert (Hu) von 22100 kJ/kg besitzt.
Das Ausgangsmaterial wird mit einer Feuchte von 8% in zwei aufeinander folgenden Vorwärmstufen, die aus Venturivorwärmern 2a, 4a und Abscheidezyklonen 2b, 4b bestehen, auf eine Temperatur von 320°C vorgewärmt und vorkalziniert, dem Venturi 4a wird dabei zusätzlich Wärme zugeführt wird, indem man dem Venturi 4a ein 1050°C heißes Gas zuführt, welches in einer Brennkammer 15 mit 0,5 t/h Braunkohle und 7500 Nm³/h Luft erzeugt wird. Der vorgewärmte und vorkalzinierte Feststoff wird dem Flash-Reaktor 5 aufgegeben. Dieser wird bei 700 bis 750°C und einer Verweilzeit von 10 Sekunden betrieben. Der Verweilzeitreaktor 7 ist als stationärer Wirbelschichtreaktor ausgeführt und wird bei 700°C betrieben. Dabei wird eine Partikel-Froude-Zahl von 3 angestrebt, die im Betrieb aufgrund der Partikelgrößenschwankung im Bereich von 2 bis 4 liegt. Die Verweilzeit beträgt 15 bis 25 min, bevorzugt 18 bis 22 min.
Das Heißgas zur Einstellung der notwendigen Prozesstemperatur im Flash-Reaktor 5 wird in Brennkammer 6 erzeugt. Zur Erzeugung von 27000 Nm³/h Heißgas bei einer Temperatur von 1050°C werden 1,5 t/h Braunkohle benötigt. Die hierfür benötigte Verbrennungsluft von 26300 Nm³/h wird durch Kühlung des 700°C heißen, den Verweilzeitreaktor 7 verlassenden Produktes, auf eine Temperatur von 250°C vorgewärmt und der Verbrennung in der Brennkammer 6 zugeführt. Dabei kühlt sich das Produkt von 700°C auf etwa 250°C ab und wird schließlich in einem Wirbelschichtkühler 14 mit Kühlwasser auf die gewünschte Endtemperatur von 60°C abgekühlt.

1: Zufuhrleitung
2: erste Vorwärmstufe
2a: Venturivorwärmer
2b: Abscheidezyklon
3: Abgasleitung
4: zweite Vorwärmstufe
4a: Venturivorwärmer
4b: Abscheidezyklon
5: Flash-Reaktor
6: Brennkammer
7: Verweilzeitreaktor
8: Luftleitung
9: Rückführleitung
10: erste Kühlstufe
11: Verbrennungsluftleitung
12: Brennstoffleitung
13: zweite Kühlstufe
14: Wirbelschichtkühler
15: Brennkammer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 4948362 [0002]
- US 6168424 [0004]
- DE 10260741 A1 [0007]
- DE 2524540 C2 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- D. Bridson, T. W. Davies und D. P. Harrison beschreiben in dem Aufsatz ”Properties of Flash-Calcined Kaolinite” in ”Clays and Clay Minerals”, Vol. 33, No. 3, 258–260, 1985 [0005]

Claims

Verfahren zur Wärmebehandlung feinkörniger mineralischer Feststoffe, insbesondere zur Kalzinierung von Ton oder Gips, wobei die Feststoffe durch einen Flash-Reaktor hindurchgeführt werden, in welchem sie bei einer Temperatur von 450 bis 1500°C, vorzugsweise 500 bis 890°C, mit heißen Gasen in Kontakt gebracht werden, und wobei die Feststoffe anschließend bei einer Temperatur von 500 bis 890°C durch einen Verweilzeitreaktor geführt werden, aus welchem sie nach einer Verweilzeit von 1 bis 600 Minuten abgezogen und ggf. einer weiteren Behandlungsstufe zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweilzeit der Feststoffe im Flash-Reaktor zwischen 0,5 und 20 Sekunden, vorzugsweise zwischen 1 und 10 Sekunden und insbesondere zwischen 2 und 8 Sekunden, beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verweilzeitreaktor eine stationäre Wirbelschicht aufweist und dass die Verweildauer im Verweilzeitreaktor 1 bis 60, vorzugsweise 1 bis 30 Minuten, beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verweilzeitreaktor als Drehrohr ausgestaltet ist und dass die Verweildauer im Verweilzeitreaktor 10 bis 600, vorzugsweise 20 bis 300 Minuten, beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere bei der Kalzinierung von Ton die Temperatur im Flash-Reaktor bei 550 bis 850°C liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere bei der Kalzinierung von Gips die Temperatur im Flash-Reaktor bei 540 bis 880°C liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gase im Flash-Reaktor (5) durch eine Innenverbrennung aufgeheizt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung im Verweilzeitreaktor mittels heißer Gase erfolgt und die Verweilzeit der Gase im Verweilzeitreaktor zwischen 0,1 und 10 Sekunden beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere bei der Kalzinierung von Ton die Temperatur im Verweilzeitreaktor bei 600 bis 750°C, liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere bei der Kalzinierung von Gips die Temperatur im Verweilzeitreaktor bei 650 bis 850°C, liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel-Froude-Zahl im Flash-Reaktor zwischen 40 und 300 liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feststoffe vor Einführung in den Flash-Reaktor vorgewärmt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas des Verweilzeitreaktors zu dem Flash-Reaktor oder zu einer Vorwärmstufe zurückgeführt wird.
Anlage zur Wärmebehandlung feinkörniger mineralischer Feststoffe, bspw. zur Kalzinierung von Ton oder Gips, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Flash-Reaktor (5), durch welchen die Feststoffe bei einer Temperatur von 450 bis 1500°C, vorzugsweise 500 bis 890°C, hindurchgeführt werden, und einem Verweilzeitreaktor (7), durch welchen die Feststoffe anschließend bei einer Temperatur von 500 bis 890°C hindurchgeführt werden.
Anlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Verweilzeitreaktor (7) ein Drehrohrofen ist.
Anlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Verweilzeitreaktor (7) eine stationäre Wirbelschicht aufweist.
Anlage nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verweilzeitreaktor (7) ein Kühlsystem bestehend aus wenigstens einer direkten und/oder indirekten Kühlstufen (10, 13, 14), insbesondere Kühlzyklonen und/oder Wirbelkühlern, nachgeschaltet ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass dem Flash-Reaktor (5) eine Brennkammer (6) zur Erzeugung eines heißen Gases vorgeschaltet ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass dem Flash-Reaktor (5) wenigstens eine Vorwärmstufe (2, 4) zur Vorwärmung der Feststoffe vorgeschaltet ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass dem Flash-Reaktor (5) eine Trenneinrichtung, insbesondere ein Abscheidezyklon, nachgeschaltet ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 14 bis 20, gekennzeichnet durch eine Rückführleitung (9) zur Rückführung des Abgases des Verweilzeitreaktors (7) zu dem Flash-Reaktor (5) oder einer Vorwärmstufe (2, 4).