DE102013105096A1

DE102013105096A1 - Verfahren zur Wärmebehandlung eines Materialstroms und zur Trocknung eines kohlenstoffhaltigen Stoffstroms

Info

Publication number: DE102013105096A1
Application number: DE102013105096.4A
Authority: DE
Inventors: Kathrin Rohloff; Daniel Klegraf; Jost Lemke; Dirk Schefer
Original assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 2013-05-17
Filing date: 2013-05-17
Publication date: 2014-11-20

Abstract

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Wärmebehandlung eines Materialstroms in einer Wärmebehandlungsanlage wird ein Teil des bei der Wärmebehandlung entstehenden Abgases abgezweigt und zur Trocknung eines kohlenstoffhaltigen Stoffstromes verwendet, wobei der kohlenstoffhaltige Stoffstrom nach der Trocknung direkt oder nach weiteren Behandlungsschritten als Brennstoff zur Verfügung steht. Das abgezweigte Abgas wird bei der Trocknung direkt mit dem zu trocknenden Stoffstrom in Kontakt gebracht und das dabei entstehende feuchte Abgas gelangt anschließend wenigstens teilweise zur Wärmebehandlungsanlage zurück.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Materialstroms in einer Wärmebehandlungsanlage und zur Trocknung eines kohlenstoffhaltigen Stoffstroms.
Unter der Wärmebehandlung eines Materialsstroms wird insbesondere ein Zement-, Mineral-, Roheisen- oder Kalkherstellungsverfahren verstanden. Derartige Herstellungsverfahren benötigen sehr viel Energie. Nachdem fossile Brennstoffe immer teurer werden, ist man bemüht auch minderwertigere kohlenstoffhaltige Stoffströme, wie beispielsweise Biomasse, Klärschlamm oder dergleichen vermehrt einzusetzen. Diese alternativen kohlenstoffhaltigen Stoffströme haben aber oft einen relativ hohen Feuchtigkeitsanteil und müssen daher vor Ihrer Verwendung getrocknet werden.
In der DE 10 2007 015 089 A1 wird vorgeschlagen, die Restwärme aus dem Zementklinker am Ende des Zementklinkerproduktionsprozesses zur Trocknung von Biomasse einzusetzen. In der WO 2009/149085 A2 , der US 7,461,466 B2 und der WO 2010/124702 A1 werden Abgase aus einem Zementherstellungsprozess zur indirekten Erwärmung eines Trocknungsgases zur Trocknung von Biomasse verwendet.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Trocknung eines kohlenstoffhaltigen Stoffstroms in Verbindung mit einem Verfahren zur Wärmebehandlung eines Materialstroms in einer Wärmebehandlungsanlage zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Wärmebehandlung eines Materialstroms in einer Wärmebehandlungsanlage wird ein Teil des bei der Wärmebehandlung entstehenden Abgases abgezweigt und zur Trocknung eines kohlenstoffhaltigen Stoffstromes verwendet, wobei der kohlenstoffhaltige Stoffstrom nach der Trocknung direkt oder nach weiteren Behandlungsschritten als Brennstoff zur Verfügung steht. Das abgezweigte Abgas wird bei der Trocknung direkt mit dem zu trocknenden Stoffstrom in Kontakt gebracht und das dabei entstehende feuchte Abgas gelangt anschließend wenigstens teilweise zur Wärmebehandlungsanlage zurück.
Durch den direkten Kontakt mit dem Abgas kann die Trocknung des kohlenstoffhaltigen Stoffstroms effizienter erfolgen. Darüber hinaus werden durch die Rückführung des feuchten Abgases etwaige im kohlenstoffhaltigen Stoffstrom mitgeführte Kohlenstoffbestandteile und/oder geruchsbildende Stoffe oder sonstige Schadstoffe in der Wärmebehandlungsanlage auf einfache Art und Weise entsorgt. Da nicht nur unbeliebte Schadstoffe in dem Abgas gebunden sind, ist es außerdem denkbar, dass nutzbare Stoffe, wie beispielsweise Ammoniak, zur NOx-Minderung genutzt werden oder Kohlenwasserstoffe bei der thermischen Umsetzung ihren Beitrag zur Wärmebereitstellung liefern.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem zu trocknenden, kohlenstoffhaltigen Stoffstrom handelt es sich beispielsweise um Schlamm, Sekundärbrennstoff, Kohle oder Biomasse.
Um eine Kondensation zur vermeiden, wird das feuchte Abgas zweckmäßigerweise mit einer Temperatur oberhalb der Kondensationstemperatur der im feuchten Abgas enthaltenen Gasbestandteile zur Wärmebehandlungsanlage zurückgeführt. Die Temperatur liegt vorzugsweise zwischen 45°C und 600°C, höchstvorzugsweise zwischen 70°C und 450°C.
Dabei ist es des Weiteren von Vorteil, wenn das feuchte Abgas der Wärmebehandlungsanlage bei einem Temperaturfenster zugegeben wird, bei dem eine Nachverbrennung von im Abgas mitgeführten Kohlenstoffbestandteilen und/oder geruchsbildenden Stoffen oder sonstigen Schadstoffen gewährleistet ist.
Um die Effizienz der Trocknung des Stoffstroms zur steigern, kann es vorteilhaft sein, wenn die Staubfracht des abgezweigten Abgases vor der Trocknung reduziert wird. Für die Trocknung wird ein Temperaturbereich des abgezweigten Abgases von 80°C bis 900°C, vorzugsweise von 100°C bis 450°C bevorzugt. Sollte die Temperatur des abgezweigten Abgases höher sein, kann eine entsprechende Kühlung auf den bevorzugten Temperaturbereich vorgesehen werden. Die bei der Kühlung freigesetzte Energie könnte dann beispielsweise zur Stromerzeugung genutzt werden.
Bei der Trocknung kann der zu trocknende Stoffstrom durch wenigstens einen Teil des abgezweigten Abgases fluidisiert und/oder transportiert werden. Besonders geeignet sind ein Steigrohrtrockner, ein Etagentrockner oder ein Trommeltrockner, dem wenigstens ein Teil des abgezweigten Abgases und der zu trocknende Stoffstrom zugeführt werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das feuchte Abgas nach der Trocknung wenigstens teilweise vom Stoffstrom getrennt. Dabei kann vorgesehen werden, dass ein Teil der feuchten Abgase mit dem für die Trocknung vorgesehenen, abgezweigten Abgas zur Einstellung der Trocknungstemperatur vermischt wird. Je nach Beschaffenheit des kohlenstoffhaltigen Stoffstroms kann zumindest ein Teil des Stoffstroms vor oder nach seiner Trocknung zerkleinert werden. Des Weiteren ist auch denkbar, dass der kohlenstoffhaltige Stoffstrom einer weiteren Trocknung unterzogen wird. Der kohlenstoffhaltige Stoffstrom wird nach seiner Trocknung wenigstens teilweise einer Verbrennung und/oder Vergasung und/oder Pyrolyse und/oder Torrefizierung zugeführt. Zweckmäßigerweise wird der kohlenstoffhaltige Stoffstrom als Brennstoff für die Wärmebehandlung des Materialstroms in der Wärmebehandlungsanlage eingesetzt. Die Wärmebehandlung des Materialstroms kann insbesondere ein Vorwärmen und/oder Calcinieren und/oder Brennen und/oder Kühlen des Materialstroms umfassen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen
1 ein schematisches Blockschaltbild gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren und
2 eine schematische Darstellung eines Steigrohrtrockners zur Trocknung des kohlenstoffhaltigen Stoffstroms.
Mit dem Bezugszeichen 1 ist in 1 eine Wärmebehandlungsanlage gekennzeichnet, bei der es sich beispielsweise um eine Zementherstellungsanlage handelt. Ein Materialstrom 2, beispielsweise Zementrohmaterial, wird in der Wärmebehandlungsanlage einer Wärmebehandlung unterzogen, die insbesondere ein Vorwärmen und/oder Calcinieren und/oder Brennen und/oder Kühlen des Materialstroms 2 umfassen kann, sodass ein wärmebehandelter Materialstrom 3, beispielsweise Zementklinker, entsteht. Des Weiteren entsteht bei der Wärmebehandlung ein Abgas 4, das zumindest teilweise abgezweigt und in einer Trocknungseinrichtung 5 zur Trocknung eines kohlenstoffhaltigen Stoffstroms 6 verwendet wird. Bei dem kohlenstoffhaltigen Stoffstrom 6 kann es sich beispielsweise um Schlamm, Sekundärbrennstoff, Kohle oder Biomasse handeln.
Vor der Trocknung kann das Abgas 4 optional in einem Staubabscheider 7 in seiner Staubfracht reduziert werden. Je nach Temperatur des abgezweigten Abgases 4 kann vor der Trocknung außerdem eine Abkühlung des Abgases in einer optionalen Kühleinrichtung 8 erfolgen, sodass die Temperatur des Abgases für die Trocknung im Temperaturbereich von 80°C bis 900°C, vorzugsweise von 100°C bis 450°C liegt. Höchstvorzugsweise liegt die Temperatur im Bereich von 100°C bis 350°C bzw. zwischen 100°C und 150°C. Die bei der Kühlung freigesetzte Energie wird hier in beispielsweise einer Stromgewinnungseinrichtung und/oder einer Wärmeumsetzungseinrichtung 9 genutzt.
Nach der Trocknung des kohlenstoffhaltigen Stoffstroms 6 ist ein Abscheider 10 vorgesehen, um das bei der Trocknung entstehende feuchte Abgas 4’ vom getrockneten kohlenstoffhaltigen Stoffstrom 6’ zu trennen. Wenigstens ein Teil des feuchten Abgases 4’ wird zur Wärmebehandlungsanlage 1 zurückgeführt, wobei es dort zweckmäßigerweise bei einem Temperaturfenster zugegeben wird, das eine Nachverbrennung von im feuchten Abgas 4’ mitgeführten Kohlenstoffbestandteilen und/oder geruchsbildenden Stoffen und/oder Schadstoffen bewirkt oder eine nutzbare Umsetzung der mitgeführten Bestandteile erreicht wird. Eine wenigstens teilweise Aufbereitung der Gase und somit eine Umsetzung von nutzbaren Bestandteilen im Gas, für verschiedene Anlagenkomponenten, ist ebenfalls vorstellbar. Ein anderer Teil des feuchten Abgases 4’ kann auch mit dem abgezweigten Abgas 4 vor der Trocknungseinrichtung 5 zur Einstellung der gewünschten Trocknungstemperatur vermischt werden.
Der getrocknete kohlenstoffhaltige Stoffstrom 6’ kann entweder unmittelbar in der Wärmebehandlungsanlage 1 als Brennstoff genutzt werden oder steht nach weiteren Behandlungsschritten 11 als Brennstoff zur Verfügung. Die weiteren Behandlungsschritte 11 können in einer Vergasung und/oder einer Pyrolyse und/ oder einer Torrefizierung und/oder einer Fraktionierung und/oder einer Zerkleinerung bestehen. Prinzipiell ist auch denkbar, den getrockneten kohlenstoffhaltigen Stoffstrom einer Verbrennung außerhalb der Wärmebehandlungsanlage zuzuführen. Eine Verschaltung der verschiedenen Behandlungsvorrichtungen bzw. Behandlungsschritte mit der Anbindung an der Wärmebehandlungsanlage ist ebenfalls denkbar. Eine weitere Option besteht darin, wenigstens einen Teil des getrockneten kohlenstoffhaltigen Stoffstroms in einer Zerkleinerungseinrichtung 15 zu zerkleinern und erneut der Trocknungseinrichtung 5 zuzuführen. Auch kann vorgesehen werden, dass zumindest ein Teil des ursprünglichen kohlenstoffhaltigen Stoffstroms vor der ersten Trocknung einer Zerkleinerung zugeführt wird.
In 2 ist die Trocknungseinrichtung 5 beispielhaft als Steigrohrtrockner 50 ausgebildet, der mit einem als Zyklonabscheider 100 ausgebildeten Abscheider 10 kombiniert ist. In einem mittleren Bereich des Steigrohrtrockners 50 wird ein erster Teil des abgezweigten Abgases 4 und der zu trocknende, kohlenstoffhaltige Stoffstrom 6 zugeführt. Die leichteren Bestandteile 6a werden mit dem Abgas 4 nach oben transportiert und dabei getrocknet, bevor das Gas-Feststoffgemisch im Zyklonabscheider 100 in das feuchte Abgas 4’ und den getrockneten kohlenstoffhaltigen Stoffstrom 6’ getrennt werden. Die schwereren Partikel 6b des zu trocknenden kohlenstoffhaltigen Stoffstroms 6 fallen optional im Gegenstrom zu einem am unteren Ende des Steigrohrtrockners 50 zweiten Teils des Abgases 4 nach unten und werden dort ausgeschleust und einer Zerkleinerungseinrichtung 150 zugeführt. Optional wird dann der zerkleinerte Bestandteil 6’b ggf. zusammen mit dem kohlenstoffhaltigen Stoffstrom 6 oder separat erneut dem Steigrohrtrockner 50 zugegeben.
Optional kann auch eine Trenneinrichtung 12 nach der Zerkleinerungseinrichtung 150 vorgesehen werden, um den zerkleinerten Bestandteil in unterschiedliche Fraktionen 6’b, 6’’b und ggf. 6’’’b zutrennen, wobei die Weiterverarbeitung in Abhängigkeit der Fraktionierung und der Feuchte erfolgen kann. So könnte ein feiner und noch feuchter Bestandteil 6’b wieder zum Steigrohrtrockner zurückgeführt oder dem Stoffstrom 6’ zugemischt wird, um dessen Wärmeenergie für die Resttrocknung auszunutzen. Eine gröbere Fraktion 6’’b könnte ebenfalls dem Stoffstrom zugeführt oder ausgeschleust werden. Die ggf. vorhandene weitere Fraktion 6’’’b, bei der es sich beispielsweise um ein nicht zerkleinerbares Produkt handelt, könnte ebenfalls ausgeschleust oder weiteren nicht dargestellten Verarbeitungsaggregaten zugeführt werden.
Neben dem im 2 aufgezeigten Ausführungsbeispiel kann die Trocknungseinrichtung 5 auch in anderer Art und Weise ausgestaltet werden, sofern der kohlenstoffhaltige Stoffstrom in direktem Kontakt mit dem Abgas getrocknet werden kann. Hierfür eignen sich insbesondere auch Etagen- oder Trommeltrockner. Weiterhin wäre es denkbar, wenn der in 2 dargestellte Steigrohrtrockner in seinem unteren Bereich als Sichter, insbesondere als Zick-Zack-Sichter ausgebildet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007015089 A1 [0003]
WO 2009/149085 A2 [0003]
US 7461466 B2 [0003]
WO 2010/124702 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Wärmebehandlung eines Materialstroms (2) in einer Wärmebehandlungsanlage (1), wobei ein Teil des bei der Wärmebehandlung entstehenden Abgases (4) abgezweigt und zur Trocknung eines kohlenstoffhaltigen Stoffstroms (6) verwendet wird, wobei der kohlenstoffhaltige Stoffstrom (6) nach der Trocknung direkt oder nach weiteren Behandlungsschritten als Brennstoff zur Verfügung steht, dadurch gekennzeichnet, dass das abgezweigte Abgas (4) bei der Trocknung direkt mit dem zu trocknenden Stoffstrom (6) in Kontakt kommt und das dabei entstehende feuchte Abgas (4’) anschließend wenigstens teilweise zur Wärmebehandlungsanlage (1) zurückgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das feuchte Abgas (4’) mit einer Temperatur oberhalb der Kondensationstemperatur der im feuchten Abgas enthaltenen Gasbestandteile zur Wärmebehandlungsanlage zurückgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das feuchte Abgas (4’) wenigstens teilweise der Wärmebehandlungsanlage (1) bei einem Temperaturfenster zugegeben wird, das eine Nachverbrennung von im Abgas mitgeführten Kohlenstoffbestandteilen und/oder geruchsbildenden Stoffen bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Staubfracht des abgezweigten Abgases vor der Trocknung des kohlenstoffhaltigen Stoffstroms reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil des abgezweigten Abgases (4) vor der Trocknung des kohlenstoffhaltigen Stoffstroms (6) auf einen Temperaturbereich von 80°C bis 900°C gekühlt wird, wenn die Temperatur des abgezweigten Abgases höher ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Kühlung freigesetzte Energie wenigstens teilweise zur Stromerzeugung genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem zu trocknenden, kohlenstoffhaltigen Stoffstrom (6) um Schlamm oder Sekundärbrennstoff oder Kohle oder Biomasse handelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zu trocknende kohlenstoffhaltige Stoffstrom (6) bei der Trocknung wenigstens teilweise durch wenigstens einen Teil des abgezweigten Abgases (4) fluidisiert und/oder transportiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Trocknung des kohlenstoffhaltigen Stoffstroms (6) ein Steigrohrtrockner (50), ein Etagentrockner oder ein Trommeltrockner zur Anwendung kommt, dem wenigstens ein Teil des abgezweigten Abgases (4) und der zu trocknende kohlenstoffhaltige Stoffstrom (6) zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das feuchte Abgas (4’) nach der Trocknung wenigstens teilweise vom kohlenstoffhaltigen Stoffstrom getrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des feuchten Abgases (4’) mit dem für die Trocknung vorgesehenen, abgezweigten Abgas (4) zur Einstellung der Temperatur für die Trocknung vermischt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des kohlenstoffhaltigen Stoffstroms (6) vor oder nach seiner Trocknung zerkleinert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Behandlungsschritte des kohlenstoffhaltigen Stoffstroms (6’) eine Zerkleinerung und eine weitere Trocknung umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der kohlenstoffhaltige Stoffstrom (6) nach der Trocknung wenigstens teilweise wenigstens einer Behandlungseinrichtung 11 zugeführt wird, die wenigstens aus einer Verbrennung und/oder Vergasung und/oder Pyrolyse und/oder Torrefizierung und/oder Zerkleinerung und/oder Fraktionierung oder Kombinationen dieser Behandlungsschritte besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung des Materialstroms (2) durch Vorwärmen und/oder Calcinieren und/oder Brennen und/oder Kühlen des Materialstroms erfolgt.