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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trocknen feinkörniger Schüttgüter mit einem Röhrentrockner. Solche Verfahren werden insbesondere zum Trocknen von Braunkohle zur anschließenden Herstellung von Braunkohlebriketts und Braunkohlenbrennstaub eingesetzt.
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Bei den bekannten Verfahren zum Trocknen feinkörniger Schüttgüter, beispielsweise Braunkohle, in Röhrentrocknern verdunstet Feuchtigkeit beziehungsweise Wasser aus dem Rohmaterial bei Temperaturen deutlich unterhalb der Siedetemperatur von Wasser. Die Trocknung erfolgt somit durch Verdunstung der Feuchtigkeit. Der bei der Trocknung entstehende Wasserdampf wird durch die große durch den Röhrentrockner geförderte Menge Trocknungsluft stetig abgezogen. Diese mit Wasserdampf beladene Trocknungsluft wird auch als Brüden bezeichnet.
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Bei bekannten Röhrentrocknern entsteht in den Trocknerröhren während der Trocknung ein großer Volumenstrom des Brüdens, so dass der Brüden in den Trocknerröhren eine hohe Strömungsgeschwindigkeit erreicht. Infolge dieser hohen Strömungsgeschwindigkeit der Brüden werden große Mengen Staub aus dem zu trocknenden feinkörnigem Schüttgut mitgerissen und aus dem Röhrentrockner ausgetragen. Dieser Staub wird in einer nachgeschalteten elektrischen Gasreinigung abgeschieden. Die Brüden werden über einen Schlot an eine Umgebung entlassen, wobei weithin sichtbare Brüdenschwaden mit teilweise zu hohem Reststaubgehalt zu erkennen sind.
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In vielen Staaten gelten für Emissionen von Stäuben Grenzwerte, zu deren Einhaltung mit den bekannten Verfahren zum Trocknen von feinkörnigen Schüttgütern nicht immer die gewünschten Trocknungsleistungen erreicht werden können. Als weiterer Nachteil bekannter Verfahren hat sich herausgestellt, dass mit den Brüden ein erheblicher Teil der beim Trocknen zugeführten Wärmeenergie an die Atmosphäre abgegeben wird.
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Aus dem Stand der Technik ist eine Reihe von Maßnahmen bekannt, um die Wärmeenergie der Brüden zu nutzen. Zum Beispiel wird die Abwärmenutzung erreicht durch Kompression der entstaubten, lufthaltigen Brüden, um deren Enthalpie zu erhöhen für den Einsatz zu Heizzwecken. Nachteilig ist bei den bekannten Verfahren ein hoher Luftgehalt der Brüden. Zur Energierückgewinnung sind luftarme beziehungsweise luftfreie, das heißt aus nahezu 100 % Wasserdampf bestehende, Brüden günstiger.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen und insbesondere ein Verfahren zum Trocknen feinkörniger Schüttgüter mit einem Röhrentrockner anzugeben, bei dem die einen Röhrentrockner verlassenden Brüden einen geringen Staubgehalt aufweisen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das eine effiziente Nutzung der Enthalpie der den Röhrentrockner verlassenden Brüden gestattet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Trocknen feinkörniger Schüttgüter mit einem Röhrentrockner weist zumindest die folgenden Schritte auf:
- a) Einfüllen des feinkörnigen Schüttguts in den Röhrentrockner;
- b) Trocknen des feinkörnigen Schüttguts in zumindest einer Röhre des Röhrentrockners;
- c) Fördern des feinkörnigen Schüttguts zu einem Auslass der zumindest einen Röhre; und
- d) Einstellen eines Unterdrucks in der zumindest einen Röhre, so dass während Schritt b) in der zumindest einen Röhre Brüden mit einem maximalen Luftanteil von 1 Vol.-% entstehen.
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Das hier vorgeschlagene Verfahren zum Trocknen feinkörniger Schüttgüter dient insbesondere der Trocknung von Kohle, wie beispielsweise Braunkohle, Steinkohle, und/oder aus dieser bestehenden Stäuben. Die mit dem vorgeschlagenen Verfahren getrockneten feinkörnigen Schüttgüter eignen sich insbesondere für eine anschließende Brikettierung und Brennstaubmahlung.
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Zur Trocknung des feinkörnigen Schüttguts wird dieses zunächst in einen Röhrentrockner eingefüllt. Derartige Röhrentrockner umfassen insbesondere ein Drehrohr, beispielsweise nach Art eines drehbaren zylindrischen Behälters oder einer drehbaren zylindrischen Trommel, dessen Drehachse gegenüber einer Waagerechten geneigt verläuft. Das Drehrohr weist insbesondere eine obere Stirnfläche und eine untere Stirnfläche auf, die durch einen oberen Drehrohrboden und einen unteren Drehrohrboden verschlossen sind. Der obere Drehrohrboden und der untere Drehrohrboden sind in einer axialen Richtung durch zumindest eine Röhre, bevorzugt eine Vielzahl von Röhren, wie zum Beispiel 1 bis 1.000 Röhren, verbunden, durch die das feinkörnige Schüttgut förderbar ist. Der obere Drehrohrboden weist insbesondere pro Röhre eine Öffnung auf, durch die das feinkörnige Schüttgut in die jeweilige Röhre förderbar ist. Darüber hinaus weist der untere Drehrohrboden insbesondere pro Röhre einen Auslass auf, durch den das feinkörnige Schüttgut aus der jeweiligen Röhre herausförderbar ist. Das feinkörnige Schüttgut wird insbesondere aus einem Bunker über einen Füllschacht, bei dem es sich insbesondere um einen Füllkasten des Drehrohrs handelt, dem Drehrohr des Röhrentrockners zugeführt. Von hier tritt das feinkörnige Schüttgut durch zumindest eine Öffnung des oberen Rohrbodens in die zumindest eine Röhre des Röhrentrockners ein und rieselt aufgrund der Neigung und der Drehung des Drehrohrs durch die zumindest eine Röhre.
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Gemäß Schritt b) wird das feinkörnige Schüttgut in der zumindest einen Röhre des Röhrentrockners getrocknet. Hierzu wird das feinkörnige Schüttgut insbesondere auf mindestens 100 °C erhitzt. Zu diesem Zweck ist das (geschlossene) Drehrohr des Röhrentrockners insbesondere von innen mit Wasserdampf befüllbar, so dass die zumindest eine Röhre von außen beheizbar ist. Beim Fördern des feinkörnigen Schüttguts zu dem Auslass der zumindest einen Röhre in dem unteren Drehrohrboden des Röhrentrockners gemäß Schritt c) kommt das feinkörnige Schüttgut mit beheizten Wänden der zumindest einen Röhre in Kontakt, so dass eine im feinkörnigen Schüttgut enthaltene Feuchtigkeit verdampft. Mit anderen Worten erfolgt die Trocknung des feinkörnigen Schüttguts insbesondere während der Förderung des feinkörnigen Schüttguts durch die zumindest eine Röhre. Die beheizten Wände der zumindest einen Röhre weisen insbesondere eine Temperatur von 100 °C bis 200 °C, bevorzugt 140 °C bis 160 °C, auf. Während Schritt b) erfolgt insbesondere eine Abtrennung der Feuchtigkeit des feinkörnigen Schüttgutes, insbesondere von Wasser, durch Verdampfung in der zumindest einen Röhre bei Temperaturen oberhalb des Siedepunktes der abzutrennenden Feuchtigkeit. Ein Wassergehalt des feinkörnigen Schüttgutes, insbesondere von Braunkohle, wird während der Trocknung beispielsweise von 50 bis 60 m.-% (Massenprozent) auf 10 bis 20 m.-% reduziert. Durch die Verdampfung entsteht in der zumindest einen Röhre eine wasserdampfhaltige Atmosphäre, die als Brüden bezeichnet wird. Diese wasserdampfhaltige Atmosphäre beziehungsweise der Brüden werden stromabwärts von der zumindest einen Röhre getrennt von dem getrockneten feinkörnigen Schüttgut durch Anlegen eines Unterdruckes in den Röhren in Richtung des Auslasses abgezogen.
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Gemäß Schritt d) wird ein, insbesondere stromabwärts zunehmender, Unterdruck in der zumindest einen Röhre derart eingestellt, dass während Schritt b) in der zumindest einen Röhre Brüden mit einem maximalen Luftanteil von 1 Vol.-% entsteht. Der maximale Luftanteil entspricht insbesondere einem luftgefüllten Porenvolumen des aufgegebenen feinkörnigen Schüttguts. Besonders bevorzugt ist, dass der maximale Luftanteil (im Wesentlichen) 0 Vol.-% beträgt, das heißt (im Wesentlichen) luftfrei ist. Der für diesen Zweck einzustellende Unterdruck ist abhängig von der Art des aufgegebenen feinkörnigen Materials und dem Füllungsgrad der zumindest einen Röhre und muss insbesondere experimentell ermittelt werden. Unter Luft wird in diesem Zusammenhang Umgebungsluft verstanden, die insbesondere Stickstoff, Sauerstoff, Argon und/oder weitere Spurengase aufweist. Die Einstellung des Unterdrucks kann beispielsweise durch ein Gebläse, einen Verdichter und/oder einen Kondensator erfolgen, die insbesondere entlang einer Förderstrecke der aus der zumindest einen Röhre abgezogenen Brüden stromabwärts zu der zumindest einen Röhre angeordnet sind. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass insbesondere ein Unterdruck in den abgezogenen Brüden eingestellt wird. Weiterhin ist anzumerken, dass unter stromabwärts eine Strömungsrichtung der Brüden verstanden wird. Durch den sich in der zumindest einen Röhre entwickelnden Dampfdruck und den Unterdruck stromabwärts der zumindest einen Röhre entsteht ein Druckgefälle, das ausreicht, die Brüden aus der zumindest einen Röhre abzuziehen. Hierdurch ist insbesondere kein (zusätzlicher) konventioneller Schlotzug erforderlich.
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Während Schritt d) wird der Unterdruck entlang der Förderstrecke der Brüden in der zumindest einen Röhre zumindest teilweise derart gezielt gesteuert oder geregelt, dass bevorzugt (nahezu) keine (Außen-)Luft durch die zumindest eine Röhre des Röhrentrockners strömt. Dadurch steigt eine Temperatur des feinkörnigen Schüttguts in der zumindest einen Röhre bis auf eine Verdampfungstemperatur des Wassers. Somit erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren keine Verdunstungstrocknung sondern eine Verdampfungstrocknung. Hierdurch bildet sich in der zumindest einen Röhre bevorzugt eine (nahezu) luftfreie inerte Wasserdampfatmosphäre über dem feinkörnigen Schüttgut, wodurch zudem in vorteilhafter Weise eine Brand- und Explosionsgefahr ausgeschlossen wird. Bei der Verdampfungstrocknung muss keine Luft durch den Trockner gefördert werden, um den entstehenden Dampf abzutransportieren. Im Gegenteil wird die sich im Röhrentrockner befindliche Luft (vollständig) vom entstehenden Wasserdampf verdrängt. Weiterhin wird der Unterdruck bevorzugt derart eingestellt, dass ein unkontrolliertes Austreten der Brüden durch eine Aufgabeseite des Röhrentrockners vermieden wird. Hierzu kann die Aufgabeseite des Röhrentrockners insbesondere gasdicht, beispielsweise mit Hilfe von Schleusen, verschlossen werden, so dass in die zumindest eine Röhre des Röhrentrockners insbesondere (im Wesentlichen) keine (Umgebungs-)Luft eintreten kann. Zudem ist es vorteilhaft, wenn eine geringe Strömungsgeschwindigkeit des Brüden in der zumindest einen Röhre eingehalten wird, bei welcher nur wenig Staub vom feinkörnigen Trocknungsgut mitgerissen wird, so dass die nachgeschalteten Einrichtungen zur Staubabscheidung in starkem Maße entlastet und damit weniger Reststaub emittiert wird. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn bei der Trocknung von Braunkohle diese weniger verhärtet und sich deshalb besser brikettieren und zu Brennstaub mahlen lässt.
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Weiterhin reduziert sich in vorteilhafter Weise bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Strömungsgeschwindigkeit der Brüden in der zumindest einen Röhre, wodurch erheblich weniger Staub ausgetragen wird. Die Strömungsgeschwindigkeit der Brüden beträgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt von 0,1 bis 0,5 m/s, wohingegen bei bekannten Verfahren Strömungsgeschwindigkeiten der Brüden von 1 bis 2 m/s in einer leeren Röhre und 4 bis 5 m/s in einer gefüllten Röhre üblich sind. Da ein Luftvolumenstrom durch die zumindest eine Röhre entfällt, muss die Luft zudem auch nicht mehr erwärmt werden. Dadurch sinken die Wärmeverluste und die Effizienz der Trocknung steigt. Die um das Luftvolumen verringerten Brüden verfügen zudem über eine höhere Energiedichte als lufthaltige Brüden bei der konventionellen Trocknung. Der Energiegehalt der fast luftfreien Brüden kann somit besser genutzt werden.
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Vorzugsweise verdampft in Schritt b) Feuchtigkeit des feinkörnigen Schüttguts. Die Verdampfung der Feuchtigkeit, bei der es sich insbesondere um Wasser handelt, erfolgt oberhalb Siedetemperatur der Feuchtigkeit. Die Siedetemperatur von Wasser beträgt beispielsweise 99,97 °C bei einem Druck von 1,01325 bar (= 1 atm).
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Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn das Einstellen des Unterdrucks in Schritt d) durch ein stromabwärts zum Röhrentrockner angeordnetes Restluftgebläse erfolgt.
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Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn entlang einer Förderstrecke der Brüden zwischen dem Röhrentrockner und dem Restluftgebläse ein Kondensator angeordnet ist, mit dem die in der zumindest einen Röhre erzeugten Brüden kondensiert werden.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn durch den Kondensator ein in den Brüden mitgeführter Staubanteil des feinkörnigen Schüttguts zusammen mit einem Kondensat abgeschieden wird.
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Zudem ist es vorteilhaft, wenn eine Enthalpie der (insbesondere kondensierten) Brüden mittels eines Wärmetauschers zur Erzeugung von Heißwasser verwendet wird. Das so erzeugte Heißwasser kann beispielsweise periphere Anlagen, Gebäude oder andere Wärmesenken beheizen.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn ein durch den Kondensator erzeugtes Kondensat mittels einer Wasseraufbereitungsanlage gereinigt wird.
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Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn entlang einer Förderstecke der Brüden zwischen dem Röhrentrockner und dem Verdichter ein Elektrofilter angeordnet ist, mit dem ein in den luftfreien Brüden mitgeführter Staub des feinkörnigen Schüttguts zumindest teilweise abgeschieden wird.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die (entstaubten dampfförmigen) Brüden durch den Verdichter verdichtet werden und die verdichteten Brüden zur Beheizung des Röhrentrockners verwendet werden.
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Ebenso wie bei der Kondensation der Brüden treten auch bei der Komprimierung der Brüden keine Emissionen in die Umgebung auf. Bei der Verdichtung der Brüden kann der verdichtete Brüden als Wärmeträger für den Trocknungsprozess, das heißt zur Beheizung des Röhrentrockners, genutzt werden.
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Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und durch Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
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Das Verfahren sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung zeigen, diese jedoch nicht darauf beschränkt ist. Dabei sind gleiche Bauteile in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen schematisch:
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1: einen Röhrentrockner im Querschnitt;
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2: eine schematische Darstellung eines ersten Beispiels eines Verfahrens zum Trocknen feinkörniger Schüttgüter; und
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3: eine schematische Darstellung eines zweiten Beispiels eines solchen Verfahrens.
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1 zeigt einen Röhrentrockner 2 in einem Querschnitt. Der Röhrentrockner 2 weist ein Drehrohr 19 nach Art einer Trommel auf. Das Drehrohr 19 weist wiederum an seinen Stirnseiten einen oberen Drehrohrboden 20 und einen unteren Drehrohrboden 21 auf. Das Drehrohr 19 ist zudem um eine Drehachse 22 drehbar. Der obere Drehrohrboden 20 und der untere Drehrohrboden 21 sind in einer Längsrichtung 23 parallel zu der Drehachse 22 mit einer Vielzahl von Röhren 3 verbunden. Der obere Drehrohrboden 20 weist für jede der Röhren 3 eine Öffnung 24 und der untere Drehrohrboden 21 für jede der Röhren 3 einen Auslass 4 auf. Der Röhrentrockner 2 wird auf einer Aufgabeseite 27 über einen Füllschacht 18 mit einem feinkörnigen Schüttgut 1 befüllt. Ausgehend von dem Füllschacht 18 wird das feinkörnige Schüttgut 1 durch die Öffnungen 24 und infolge des Gefälles und der Drehung des Drehrohrs 19 durch die Röhren 3 gefördert und verlässt anschließend die Röhren 3 durch die Auslässe 4. Stromabwärts von den Auslässen 4 wird das feinkörnige Schüttgut 1 in einem Trichter 12 gesammelt und über eine erste Leitung 13 abgeführt. Zudem werden beim Trocknen des feinkörnigen Schüttguts 1 in den Röhren 3 entstehende Brüden über eine zweite Leitung 14 abgeführt.
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2 zeigt ein erstes Beispiel eines Verfahrens zum Trocknen feinkörnigen Schüttguts in einer schematischen Darstellung. Bei diesem wird das feinkörnige Schüttgut 1 gemäß Schritt a) zunächst in den Röhrentrockner 2 eingefüllt. Anschließend wird das feinkörnige Schüttgut 1 gemäß Schritt b) in den Röhren 3 des Röhrentrockners 2 getrocknet und gemäß Schritt c) zu den Auslässen 4 der Röhren 3 gefördert. Das getrocknete feinkörnige Schüttgut 1 wird anschließend über die erste Leitung 13 abtransportiert. Die während Schritt b) in den Röhren 3 entstehenden Brüden werden über die zweite Leitung 14 abgezogen und einem Kondensator 7 zugeführt. Das in dem Kondensator 7 erzeugte Kondensat wird anschließend durch eine dritte Leitung 15 einem Wärmetauscher 8 zugeführt und anschließend in einer Wasseraufbereitungsanlage 9 gereinigt. Durch den Wärmetauscher 8 wird die im dem Kondensat enthaltene Enthalpie genutzt, um ein Kaltwasser 25 in ein Heißwasser 26 zu transformieren. Weiterhin ist ein Restluftgebläse 5 über eine vierte Leitung 16 mit dem Kondensator 7 verbunden. Durch das Restluftgebläse 5 ist stromabwärts der Auslässe 4 der Röhren 3, das heißt entlang einer Förderstrecke 6 der Brüden, bestehend insbesondere aus der zweiten Leitung 14, dem Kondensator 7 und der vierten Leitung 16, ein Unterdruck einstellbar, so dass während des Trocknens des feinkörnigen Schüttguts 1 in den Röhren 3 des Röhrentrockners 2 gemäß Schritt b) Brüden mit einem maximalen Luftanteil von 1 Vol.-% entstehen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Beispiels eines Verfahrens zum Trocknen von feinkörnigem Schüttgut. Auch bei diesem Beispiel wird zunächst gemäß Schritt a) feinkörniges Schüttgut 1 einem Röhrentrockner 2 zugeführt und anschließend gemäß Schritt b) in Röhren 3 des Röhrentrockners 2 getrocknet. Das getrocknete feinkörnige Schüttgut 1 wird anschließend über eine erste Leitung 13 abgeführt. Die bei dem Trocknen des feinkörnigen Schüttguts 1 in den Röhren 3 des Röhrentrockners 2 entstehenden Brüden werden über eine zweite Leitung 14 einem Elektrofilter 11 zugeführt, durch den in den Brüden mitgeführter Staub gefiltert wird. Der Staub wird anschließend über eine vierte Leitung 16 der ersten Leitung 13 des getrockneten feinkörnigen Schüttguts 1 zugeführt. Von dem Elektrofilter 11 werden die Brüden über eine dritte Leitung 15 einem Verdichter 10 zugeführt, durch den die Brüden komprimiert und anschließend über eine fünfte Leitung 17 zur Beheizung des Röhrentrockners 2 weitergeleitet werden.
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Das vorliegende Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die beim Trocknen entstehenden Brüden einen geringen Staubgehalt aufweisen, so dass bei der Trocknung von feinkörnigen Schüttgütern wesentlich geringere Emissionen entstehen. Zudem gestattet die vorliegende Erfindung eine effiziente Nutzung der Enthalpie der den Röhrentrockner verlassenden Brüden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich des Weiteren dadurch aus, dass während der Trocknung von feinkörniger Braunkohle unter den Bedingungen der Verdampfungstrocknung keine Alterung der Kohlesubstanz durch Oxydation eintritt. Eine Verhärtung und Versprödung der Braunkohlensubstanz wird dadurch weitgehend vermieden. Das hat positive Auswirkungen auf die Brikettierbarkeit der getrockneten Braunkohle sowie auf ihre Mahlbarkeit. Infolge des Erhalts von Druckplastizität der Braunkohlensubstanz sind die Bedingungen für das Auslösen von Bindekräften bei der Pressverdichtung günstiger. Das führt zu einer höheren Brikettqualität hinsichtlich Brikettdichte und Brikettfestigkeit. Die Vermeidung der Verhärtung der Braunkohlensubstanz durch Trocknung in einer Dampfatmosphäre erleichtert des Weiteren die Mahlung der Trockenkohle zu Brennstaub. Der Energieaufwand für die Mahlung sinkt, bzw. bei gleicher Mahlenergie entsteht ein feinerer Brennstaub.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- feinkörniges Schüttgut
- 2
- Röhrentrockner
- 3
- Röhre
- 4
- Auslass
- 5
- Restluftgebläse
- 6
- Förderstrecke
- 7
- Kondensator
- 8
- Wärmetauscher
- 9
- Wasseraufbereitungsanlage
- 10
- Verdichter
- 11
- Elektrofilter
- 12
- Trichter
- 13
- erste Leitung
- 14
- zweite Leitung
- 15
- dritte Leitung
- 16
- vierte Leitung
- 17
- fünfte Leitung
- 18
- Füllschacht
- 19
- Drehrohr
- 20
- oberer Drehrohrboden
- 21
- unterer Drehrohrboden
- 22
- Drehachse
- 23
- Längsrichtung
- 24
- Öffnung
- 25
- Kaltwasser
- 26
- Heißwasser
- 27
- Aufgabeseite
