DE102009042874A1

DE102009042874A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Nutzung der bei der Granulation einer flüssigen Schlacke freigesetzten Abwärme

Info

Publication number: DE102009042874A1
Application number: DE102009042874A
Authority: DE
Inventors: Vladimir Dr. Danov; Carsten Graeber; Harald Dr. Landes; Martin Dr. Tackenberg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-09-24
Filing date: 2009-09-24
Publication date: 2011-04-07
Also published as: WO2011036180A1

Abstract

Üblicherweise wird zur Verwertung von flüssiger Schlacke, insbesondere Hochofenschlacke, eine Nassgrger Konsistenz beispielsweise bei der Zementherstellung verwendet. Die Abwärme wird dabei über Kühltürme oder dergleichen entsorgt. Gemäß der Erfindung wird eine Luftgranulation durchgeführt, wird die dabei durch Abwärme entstehende heiße Luft in einen Primärkreislauf abgeleitet und gereinigt und wird über einen Wärmetauscher ein Sekundärkreis betrieben, indem eine Dampfturbine (20) zur Erzeugung elektrischer Leistung vorhanden ist. Es kann gezeigt werden, dass bei einem geeigneten Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Wirkungsgrad von 27% erreicht wird. Die so erzeugte elektrische Leistung wird vorrangig im Betriebsablauf verbraucht oder kann alternativ in ein Stromnetz eingespeist werden und dient zu einer beachtlichen Kostensenkung.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Nutzung der bei der Granulation von flüssiger Schlacke freigesetzten Abwärme. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die zugehörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
In der älteren, nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung mit dem DE-Aktenzeichen 10 2008 058 572.6 (Landes et al.) der Anmelderin ist ein Verfahren zur Verwertung von flüssiger Schlacke unter Nutzung der in der Schlacke enthaltenden Wärmeenthalpie beschrieben, bei dem die heiße Schlacke speziell in den Fertigungsprozess für Zementklinker eingebracht wird. Als Schlacke wird dabei speziell Hochofenschlacke betrachtet, wobei in gleichem Maße auch andere flüssige Schlacken, beispielsweise Stahlwerkschlacken oder dergleichen, verwendet werden können.
Herkömmlicherweise wird der überwiegende Teil der Hochofenschlacke, die bei etwa 1500 bis 1600°C flüssig anfällt, durch Verdüsung mit großen Wassermengen abgeschreckt, so dass ein amorphes, sandiges Produkt entsteht, das auch als Hüttensand bezeichnet wird. Derartiger Hüttensand findet – wie vorstehend bereits erwähnt – beispielsweise in der Zementherstellung Anwendung.
Abweichend von dieser sogenannten Nassgranulation werden neuerdings bereits in der Fachliteratur auch Trockengranulationsverfahren beschrieben, wobei hier als primäres Kühlmedium ein Gas, beispielsweise Luft, eingesetzt wird. Vorteilhaft ist dabei, dass sowohl eine energieintensive Nachtrocknung des Hüttensandes als auch der Material- und Energieaufwand für eine Reinigung und weiterhin für den Transport der großen Mengen des möglicherweise abrasivem und sauren Kreislaufwassers entfallen. Bei beiden vorstehend erwähnten Granulationsverfahren wird die Wärmeenergie aus dem Granulationsprozess gewöhnlich über einen Kühlturm entsorgt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein energetisch verbessertes Verfahren sowie eine Vorrichtung für die Granulation anzugeben.
Die Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige Vorrichtung ist im Patentanspruch 8 wiedergegeben. Weiterbildungen des Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei der Erfindung wird die Enthalpie der flüssigen Schlacke in geeigneter Weise genutzt. Aufgrund des Temperaturniveaus der flüssigen Schlacke von etwa 1500 bis 1600°C kann man mit dieser Enthalpie Luft oder ein anderes Gas auf hohe Temperaturen, beispielsweise auf 700°C und mehr, erwärmen und weiterverwenden.
Die heiße Luft oder das heiße Gas kann entweder direkt für Heizzwecke oder insbesondere mit in einem nachgeschalteten Wärmetauscher zur Dampferzeugung genutzt werden. Der erzeugte Dampf kann unter anderem für den Antrieb einer Turbine genutzt werden.
Mit der Erfindung ergibt sich also eine beachtliche Verbesserung dadurch, dass die in der Schlacke enthaltene Wärme in geeigneter Weise genutzt wird. Damit ist ein energietechnisch und somit auch ökologisch erheblich verbesserter Betrieb in den diesbezüglichen hüttentechnischen Prozessen möglich.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung in Verbindung mit den weiteren Patentansprüchen. Die einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung eine Granulationsanlage für flüssige Schlacke mit den zugehörigen Medienleitungen zur Darstellung des Prozessablaufes.
In 1 ist mit 1 ein Behälter für flüssige Schlacke, beispielsweise eine Gießkanne, bezeichnet, in der sich beispielsweise Hochofenschlacke mit einer Temperatur von 1500° befindet. Die Schlacke wird über einen Auslaufstutzen 2 in einen Behälter für eine Trockengranulation eingebracht. Ein solcher Behälter ist mit 10 bezeichnet und nach außen hin hermetisch abgeschlossen. Im Trockengranulationsbehälter 10 wird die flüssige Schlacke auf einen rotierenden Teller 11 geleitet, wo sie durch Haftung an dem Teller und durch ihre Viskosität mitgerissen tangential beschleunigt und durch die Zentrifugalkraft nahezu radial nach außen geschleudert und dabei in kleinere Teilchen zersprüht wird, die seitlich abspringen. Für den rotierenden Teller ist ein motorischer Antrieb 12 vorgesehen. Weiterhin ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Einheit 13 zum Besprühen mit Wasser vorhanden, um auch bei kurzzeitigen Spitzen des Schlackenflusses noch eine ausreichende Kühlung zu gewährleisten.
Eine erste Abkühlung der Schlacketröpfchen erfolgt während des Fluges vom Teller in das Kühlbett 14 wobei die Oberfläche der Tröpfchen erstarrt, so dass sie bereits in körniger Konsistenz auf das von unten mit Luft durchströmte Kühlbett 14 treffen. Von dort rieseln sie unterstützt durch die Agitation des Luftstromes im Kühlbett zum Auslass an der tiefsten Stelle des Behälters 10 und weiter in einen Vorratsbehälter 15, wo sich die teilweise abgekühlte, körnige Schlacke zwecks weiterer Abkühlung durch den durchgeleiteten Luftstrom sammelt und von Zeit zu Zeit abgezogen werden kann.
Am oberen Ende des Behälters ist ein Auslass 16 zum Auslassen der heißen Luft vorhanden, die sich beim Durchströmen durch den geschlossenen Behälter 10 auf etwa 700°C erwärmt hat. Die heiße Luft wird in einer Einheit 17 von Ruß und Staub gereinigt. Anschließend wird die heiße Luft über einen Wärmetauscher 18 geführt und gelangt auf den Eingang 19 eines Verdichters und von dort zurück als Kühlmedium zum Schlackenbett 14 und zum Sammelbehälter 15.
Durch die genannten Elemente wird ein erster Wärmekreislauf gebildet. Durch den Wärmetauscher 18 wird die Wärme auf einen zweiten Kreislauf übertragen, indem sich insbesondere eine Dampfturbine 20 zum Antrieb eines nachfolgenden Generators 21 befindet. Der Dampf für den Generator hat einen Druck von etwa 60 bar und eine Temperatur von 450°C, so dass er ausreichend für die Dampfturbine 20 ist. Am Ausgang der Dampfturbine 20 befindet sich ein Kondensator 22 zur Abkühlung und Kondensation des austretenden Dampfes, der einen Druck von etwa 50 mbar bei einer Temperatur von 33°C hat. Das austretende Wasser wird mittels einer Pumpe 24 zum Wärmetauscher 18 zurückgeführt und dort wieder verdampft.
Für den beschriebenen Fall wurden Simulationsrechnungen durchgeführt. Es wurde gezeigt, dass aufgrund des hohen Temperaturniveaus der flüssigen Schlacke die Luft auf hohe Temperaturen erwärmt werden kann und dass diese Heißluft in einem nachgeschalteten Wärmetauscher zur Dampferzeugung für den Antrieb der Turbine genutzt werden kann.
Dadurch, dass die flüssige Schlacke auf einen rasch rotierenden Teller trifft, wird sie so beschleunigt, dass sie in kleine Tröpfchen zerteilt und radial fortgeschleudert wird. Auf ihrer Flugstrecke bis zum Boden der Granulationsanlage geben die Schlackentröpfchen Wärme an die umgebende Luft und an die Behälterwände durch Strahlung ab. Dadurch wächst um das Tröpfchen eine Hülle aus erstarrter Schlacke und es bildet sich noch vor dem Auftreffen auf den Boden ein rieselfähiges Korn aus. Die Schlackenkörner fallen auf einen schrägen Lochboden, in den von unten Luft eingeblasen wird. Durch diese Agitation gelangen die Körner der Schwerkraft folgend zum trichterförmigen Granulationsauslass, wobei sie weiterhin Wärme an die Luft abgeben.
Dabei ist es von Vorteil, dass der Granulationsraum Teil eines Luftkreislaufes ist, der direkt die Wärme der Schlackepartikel aufnimmt und die durch Wärmestrahlung der Partikel aufgeheizten Wände kühlt.
In Weiterbildung ist es möglich, die Wände zusätzlich von außen mit Kühlluft anzuströmen, einerseits um die Luft vorzuwärmen und andererseits, um das Wandmaterial thermisch zu schützen. Demgemäß führt der erste Wärmekreislauf zweckmäßig die Luft vom Verdichter kommend erst zur Außenwand des Trockengranulationsbehälters 10. Dort kühlt die Luft diesen Trockengranulationsbehälter 10 und wird erst dann, vorgewärmt, in den Trockengranulationsbehälter 10 eingeleitet zur Verwendung in der Trockengranulation.
Die oben aus dem Granulator abgezogene Heißluft wird in einem Heißgaszyklon entstaubt und einem Wärmetauscher zugeführt. Berechnungen haben ergeben, dass sie dabei von 700° auf 70° abkühlt. Das nachfolgende Gebläse dient der Aufrechterhaltung des Luftkreislaufes und erzeugt den geringen Überdruck von 0,4 bar, der erforderlich ist, um die Luft durch Zyklon, Wärmetauscher und insbesondere durch die fluidisierte Granulationsschüttung zu treiben. Ein Teil des rückgeführten Gases wird in den Granulations-Vorratsbehälter geleitet und nimmt dort zusätzlich von der granulierten Schlacke langsam freigesetzte Restwärme niedriger Temperatur auf.
In der Figur besteht der zweite Dampfkreislauf neben dem Wärmetauscher mindestens aus einer nachgeschalteten Entspannungsturbine, einem Kondensator und einer Speisewasserpumpe.
Durch Modellrechnungen wurde ermittelt, dass sich bei den oben jeweils angegebenen Randbedingungen bei einem für einen Hochofen typischen, kontinuierlichen Schlackenstrom von 17 kg/s eine elektrische Nettoleistung von 7 MW ergibt, was bezogen auf den Enthalpiestrom der Schlacke einem Wirkungsgrad von 27% entspricht.
Vorstehend konnte also aufgezeigt werden, dass durch den Ersatz der Nassgranulation durch Trockengranulation in verbesserter Weise die Enthalpie der flüssigen Schlacke genutzt werden kann. Vorteilhaft ist dabei insbesondere, dass kein chemisch aggressives Abwasser und Dampf entsteht, wobei das Wasser zusätzlich durch hohe Belastung mit keramischen Partikeln auch noch abrasiv wäre. Durch die Trockengranulation mit Luft wird ein wesentlich höheres Temperaturniveau erschlossen. Es entstehen keine sauren Abgase und das Granulationsprodukt bedarf keiner energieaufwendigen Nachtrocknung.
Die Partikelbelastung ist durch den Heißgaszyklon gut beherrschbar, wie aus der kohlebasierten Feuerungstechnik bekannt ist. Durch den Dampfkreislauf kann ein Großteil des Enthalpiegehaltes der Schlacke genutzt und z. B. durch Betreiben der Dampfturbine mit einem hohen Wirkungsgrad (27%) in elektrische Energie umgesetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008058572 [0002]

Claims

Verfahren zur Nutzung von bei der Granulation von flüssiger Schlacke freigesetzter Abwärme, mit folgenden Verfahrensschritten: – es wird eine Trockengranulation mit einem Gas als Kühlmedium durchgeführt, wobei das Gas Wärme aus der Schlacke aufnimmt, und – die aufgenommene Wärme wird zur Energiegewinnung verwendet.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die aufgenommene Wärme zur Erzeugung von Dampf verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der erzeugte Dampf in einer Dampfturbine (20) zur Stromerzeugung verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Gas über einen Primärkreislauf mit Wärmetauscher (18) geführt wird und der Wärmetauscher die Wärme auf einen Sekundärkreislauf überträgt.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Primärkreislauf und/oder der Sekundärkreislauf als geschlossener Kreislauf gebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Granulation kontinuierlich durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Trockengranulation in einem Behältnis (10) durchgeführt wird und das Behältnis (10) gekühlt wird, indem es von außen vom Gas angeströmt oder wenigstens teilweise umströmt wird.
Vorrichtung zur Granulation von flüssiger Schlacke und der Nutzung der dabei freigesetzten Abwärme, aufweisend: – eine Einrichtung (10) zur Trockengranulation der Schlacke, – Mittel (14) zur Einleitung eines Gases als Kühlmedium in die Einrichtung (10), – Mittel (16) zur Zuführung des in der Einrichtung aufgeheizten Gases oder seiner Wärme zu einer Energiegewinnungseinrichtung (20) zur Erzeugung von Energie unter Verwendung der Wärme des aufgeheizten Gases.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8 mit einer Dampfturbine (20) mit elektrischem Generator (21) als Energiegewinnungseinrichtung.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8 oder 9, bei der die Einrichtung (10) zur Trockengranulation mit einem Primärkreislauf zur Führung des Gases verbunden ist und der Primärkreislauf über einen Wärmetauscher (18) mit einem Sekundärkreislauf zur Nutzung der im Gas zwischengespeicherten Wärme verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 mit einer Staubabtrennungseinrichtung (17) zur wenigstens teilweisen Reinigung des Gases im Primärkreislauf.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 mit einem Verdichter (19) im Primärkreislauf.