DE102020127374A1 - Process for decomposing a metal carbonate and/or metal hydroxide to their metal oxide by means of microwaves - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zersetzung eines Metall-Carbonats und/oder Metall-Hydroxids zu deren Metall-Oxid mit:a) Mischen des Metall-Carbonats und/oder Metall-Hydroxids mit einem Mikrowellen-absorbierenden Material, undb) Bestrahlung mit Mikrowellen, sowie die entsprechende Verwendung eines Mikrowellenerzeugers bzw. eines Mikrowellen-absorbierenden Materials.The invention relates to a method for decomposing a metal carbonate and/or metal hydroxide to its metal oxide, comprising: a) mixing the metal carbonate and/or metal hydroxide with a microwave-absorbing material, andb) irradiation with microwaves, and the corresponding use of a microwave generator or a microwave-absorbing material.
Description
Die Erfindung betrifft die Gewinnung von Metalloxiden aus Erzen, Mineralien und Sedimentgesteinen, oder auch aus gereinigten chemischen Substanzen, insbesondere die Zersetzung eines Metall-Carbonats und/oder Metall-Hydroxids zu deren Metall-Oxid mittels Mikrowellen.The invention relates to the extraction of metal oxides from ores, minerals and sedimentary rocks, or also from purified chemical substances, in particular the decomposition of a metal carbonate and/or metal hydroxide to their metal oxide by means of microwaves.
Oxide werden u.a. aus den entsprechenden Carbonaten oder Hydroxiden gewonnen. Der Vorgang nennt sich Kalzinierung und ist eine Zersetzung.Among other things, oxides are obtained from the corresponding carbonates or hydroxides. The process is called calcination and is a decomposition.
In anderen bekannten Methoden zur Zersetzung von Metall-Carbonaten oder Metall-Hydroxiden wird die Wärme mittels Verbrennung erzeugt. Findet die Verbrennung direkt im Reaktionsraum der Zersetzung statt, so wird nachteilig, das Produktegemisch mit Verbrennungsgasen und Verbrennungsrückständen verunreinigt.In other known methods of decomposing metal carbonates or metal hydroxides, the heat is generated by combustion. If the combustion takes place directly in the reaction space of the decomposition, the disadvantage is that the product mixture is contaminated with combustion gases and combustion residues.
Im sogenannten Calix-Prozess dagegen wird mit einem Doppelrohr gearbeitet („Rohr im Rohr“), wobei im äußeren Rohr eine Verbrennung stattfindet, um die nötige Hitze zu erzeugen, und im inneren Rohr die gewünschte Zersetzung abläuft. Die Verbrennungswärme wird über die Rohrwandung auf das innere Rohr übertragen. Nachteil dabei ist, dass die Rohrwandung (beispielsweise aus Stahl) durch die Temperatur stark strapaziert wird und dass der Energietransfer ineffizient ist. Insgesamt muss im äußeren Rohr mehr verbrannt werden, als Energie für die Zersetzung im inneren Rohr nötig ist.In the so-called Calix process, on the other hand, a double tube is used (“tube in a tube”), with combustion taking place in the outer tube to generate the necessary heat, and the desired decomposition taking place in the inner tube. The heat of combustion is transferred to the inner tube via the tube wall. The disadvantage here is that the pipe wall (e.g. made of steel) is heavily stressed by the temperature and that the energy transfer is inefficient. Overall, more must be burned in the outer tube than the energy required for decomposition in the inner tube.
Verfahren, die ohne eine Verbrennung auskommen, arbeiten meist mit Röstofen, d.h. elektrischen Öfen.Processes that do not require combustion usually work with roasting ovens, i.e. electric ovens.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Zersetzung von Erzen, Mineralien oder Sedimentgesteinen oder auch der gereinigten Substanzen in die entsprechenden Metalloxide bereitzustellen. Insbesondere soll es die Zersetzung bzw. Kalzinierung von Metall-Carbonaten bzw. Metall-Hydroxiden zu den entsprechenden Oxiden ermöglichen. Es soll möglichst einfach sein. Insbesondere soll es wenig Schritte benötigen. Naturgemäß ist eine möglichst vollständige Umsetzung wünschenswert, damit die erhaltenen Produkte rein sind, d.h. sowohl Metall-Oxid als auch gebildetes CO2. Die für die Zersetzung nötige Zeit soll möglichst gering sein. Auf Lösungsmittel soll verzichtet werden können.The object of the invention is to provide a method for the decomposition of ores, minerals or sedimentary rocks or the purified substances into the corresponding metal oxides. In particular, it should enable the decomposition or calcination of metal carbonates or metal hydroxides to form the corresponding oxides. It should be as simple as possible. In particular, it should require few steps. Of course, a reaction that is as complete as possible is desirable so that the products obtained are pure, ie both the metal oxide and the CO 2 formed. The time required for decomposition should be as short as possible. It should be possible to dispense with solvents.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Zersetzung eines Metall-Carbonats und/oder Metall-Hydroxids zu Metall-Oxid mit den Schritten:
- a) Mischen des Metall-Carbonats und/oder Metall-Hydroxids mit einem Mikrowellen-absorbierenden Material, und
- b) Bestrahlung mit Mikrowellen.
- a) mixing the metal carbonate and/or metal hydroxide with a microwave absorbing material, and
- b) Irradiation with microwaves.
Aus dem Metall-Carbonat bzw. Metall-Hydroxid wird bei der Zersetzung Kohlendioxid bzw. Wasser freigesetzt und das entsprechende „Metall-Oxid“ gebildet. „Metall-Oxid“ bezieht sich somit auf das eingesetzte Metall-Carbonat und/oder Metall-Hydroxid.When the metal carbonate or metal hydroxide decomposes, carbon dioxide or water is released and the corresponding “metal oxide” is formed. "Metal oxide" thus refers to the metal carbonate and/or metal hydroxide used.
Zersetzung von Metall-Carbonat bzw. von Metall-Hydroxid im Sinne der Erfindung ist gleichbedeutend mit Kalzinieren. Es ist auch umfasst, dass mehr als nur ein Carbonat oder Hydroxid oder eine Mischung aus Carbonat und/oder Hydroxiden eingesetzt wird.Decomposition of metal carbonate or metal hydroxide in the context of the invention is synonymous with calcination. It also encompasses using more than just one carbonate or hydroxide or a mixture of carbonate and/or hydroxides.
Im Sinne der Erfindung bedeutet „Metall-Carbonat“ bzw. „Metall-Hydroxid“, dass diese Hauptkomponente sind (d.h. zu >50% enthalten sind, im eingesetzten Material). Bei einem Material, das beide enthält, Metall-Carbonat und Metall-Hydroxid, ist dabei auf die Summe beider abzustellen und beide zusammen müssen zu >50% enthalten sein. Bevorzugt sind es mindestens 70%, besonders bevorzugt mindestens 80%. Es kann demnach verunreinigt sein. D.h. es ist auch umfasst, dass als „Metall-Carbonat und/oder Metall-Hydroxid“ Gesteine, Minerale oder Sedimente eingesetzt werden, solange sie zu >50% aus dem Metall-Carbonat und/oder Metall-Hydroxid bestehen. Das sind beispielsweise Minerale wie Magnesit (MgCO3) oder Sedimentgsteine wie Kalkstein (CaCO3).For the purposes of the invention, “metal carbonate” or “metal hydroxide” means that these are the main components (ie are contained to >50% in the material used). In the case of a material that contains both metal carbonate and metal hydroxide, the sum of both must be taken into account and both together must be >50%. It is preferably at least 70%, particularly preferably at least 80%. So it may be contaminated. This means that rocks, minerals or sediments are also used as “metal carbonate and/or metal hydroxide”, as long as they consist of >50% of the metal carbonate and/or metal hydroxide. These are, for example, minerals such as magnesite (MgCO 3 ) or sedimentary rocks such as limestone (CaCO 3 ).
Metall-Carbonate bzw. -hydroxide umfasst die jeweiligen Metall- und Halbmetall-, Alkali- und auch Erdalkali-Verbindungen, d.h. sowohl Schwermetall-, Leichtmetall-, Edelmetall-Verbindungen, als auch die Cabonate bzw. Hyxdroxide der unedlen Metalle.Metal carbonates or hydroxides includes the respective metal and semimetal, alkali and also alkaline earth compounds, ie both heavy metal, light metal and noble metal compounds, as well as the carbonates or hydroxides of the base metals.
Umfasst sind bei den Metall-Carbonaten auch die Hydrogencarbonate (primäre Carbonate) und die Dihydrogencarbonate (sekundäre Carbonate).The metal carbonates also include the hydrogen carbonates (primary carbonates) and the dihydrogen carbonates (secondary carbonates).
„Mikrowellen-absorbierendes Material“ im Sinne der Erfindung ist ein Material, das Mikrowellen absorbiert und zu einem Großteil in thermische Energie umwandelt, die durch Kontakt mit dem Metall-Carbonat und/oder Metall-Hydroxid an dieses abgegeben wird.“Microwave-absorbent material” within the meaning of the invention is a material that absorbs microwaves and converts them to a large extent into thermal energy, which is transferred to the metal carbonate and/or metal hydroxide by contact with it.
Erfindungsgemäß ist sowohl umfasst, dass zuerst b) und dann a) stattfindet, d.h. dass das Mikrowellen-absorbierende Material bestrahlt wird und danach in a) mit dem Metall-Carbonat und/oder Metall-Hydroxid gemischt wird, als auch die umgekehrte Reihenfolge, bei der zuerst gemischt wird und danach in b) die erhaltene Mischung bestrahlt wird. Genauso umfasst ist die dritte Variante, in der a) und b) gleichzeitig stattfinden.According to the invention, both b) and then a) take place first, i.e. the microwave-absorbing material is irradiated and then mixed with the metal carbonate and/or metal hydroxide in a) and the reverse order is included which is first mixed and then in b) the resulting mixture is irradiated. The third variant, in which a) and b) take place simultaneously, is also included.
Es ist also beides umfasst: das Mischen und Bestrahlen separat (in beliebiger Reihenfolge) oder auch gleichzeitig.So both are included: mixing and irradiation separately (in any order) or simultaneously.
Erfindungsgemäß findet mit der Erfindung ein guter Wärmetransfer zwischen dem Mikrowellen-absorbierenden Material und dem Metall-Carbonat bzw. Metall-Hydroxid statt. Die erfindungsgemäße Mischung nach oder während der Bestrahlung ist sehr homogen mit einer hohen Kontaktoberfläche zwischen Mikrowellen-absorbierendem Material und Metall-Carbonat bzw. Metall-Hydroxid.According to the invention, a good heat transfer between the microwave-absorbing material and the metal carbonate or metal hydroxide takes place with the invention. The mixture according to the invention after or during the irradiation is very homogeneous with a large contact surface between microwave-absorbing material and metal carbonate or metal hydroxide.
Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls die Verwendung eines Mikrowellenerzeugers für die Zersetzung von Mischungen eines Metall-Carbonats und/oder Metall-Hydroxids mit einem Mikrowellen-absorbierenden Material zu Metall-Oxid; insbesondere die Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren.The invention also relates to the use of a microwave generator for the decomposition of mixtures of a metal carbonate and/or metal hydroxide with a microwave-absorbing material to metal oxide; in particular the use in the method according to the invention.
Daneben ist auch Gegenstand die Verwendung eines Mikrowellen-absorbierenden Materials für die Zersetzung eines Metall-Carbonats und/oder Metall-Hydroxids zu Metall-Oxid mittels Mikrowellen; insbesondere im erfindungsgemäßen Verfahren Gegenstand der Erfindung ist schließlich auch die Verwendung einer Anlage zur Zersetzung eines Metall-Carbonats und/oder Metall-Hydroxids zu Metall-Oxid, umfassend einen Mikrowellenerzeuger und ein Anlagenteil ausgewählt aus Wirbelschichtreaktor; Drehrohrofen und Schachtofen, besonders bevorzugt Wirbelschichtreaktor, insbesondere im erfindungsgemäßen Verfahren.In addition, the subject is also the use of a microwave-absorbing material for the decomposition of a metal carbonate and/or metal hydroxide to metal oxide by means of microwaves; Finally, in particular in the process according to the invention, the subject of the invention is also the use of a plant for the decomposition of a metal carbonate and/or metal hydroxide to metal oxide, comprising a microwave generator and a plant part selected from a fluidized bed reactor; Rotary kiln and shaft furnace, particularly preferably fluidized bed reactor, especially in the process according to the invention.
Die Erfindung liefert vorteilhaft reine Metall-Oxide aus den Metall-Carbonaten bzw. den Metall-Hydroxiden.The invention advantageously provides pure metal oxides from the metal carbonates or the metal hydroxides.
Die erhaltenen Gase wie CO2 bzw. H2O-Dampf sind sehr rein und kaum bzw. gar nicht mit anderen Gasen verunreinigt, insbesondere nicht mit Verbrennungsgasen.The gases obtained, such as CO 2 or H 2 O vapor, are very pure and hardly or not at all contaminated with other gases, in particular not with combustion gases.
Vorteil ist, dass das Mikrowellen-absorbierende Material einfach vom Metall-Oxid wieder abgetrennt werden kann und gleichzeitig aber die Erhitzung lokal stattfindet, und nicht nur von außen/dem Reaktionsgefäß ins Innere geleitet werden muss.The advantage is that the microwave-absorbing material can be easily separated from the metal oxide and at the same time the heating takes place locally and does not just have to be conducted from the outside/the reaction vessel into the inside.
Das Verfahren hat wenig Schritte und ist einfach.The procedure has few steps and is simple.
Durch die effektive Aufheizung des Metall-Carbonats und/oder Metall-Hydroxids ist das Verfahren schnell und die Erfindung ermöglicht eine Zeitersparnis. Auf Lösungsmittel wird vorteilhaft verzichtet.Due to the effective heating of the metal carbonate and/or metal hydroxide, the process is fast and the invention enables a time saving. Solvents are advantageously avoided.
Ein für die weitere Nutzung des CO2 (beispielsweise für die Methanolsynthese) wichtiger Vorteil der Erfindung ist auch, dass das Verfahren in Anwesenheit von Kohlenstoff funktioniert, der das Boudouard-Gleichgewicht (zwischen CO2 und CO über glühendem C) hervorruft. Durch die Menge an zugemischtem Mikrowellen-absorbierenden Material in Kombination mit der gewählten Strahlungsenergie kann der Eintrag an Hitze sehr präzise gesteuert werden. Es ist Vorteil der Erfindung, dass der Kontakt des Metall-Carbonats bzw. Metall-Hydroxids mit dem Mikrowellen-absorbierenden Material sehr gut ist. Eine sehr gute und homogene Vermischung ist daher vorteilhaft.Another advantage of the invention that is important for further use of the CO 2 (for example for methanol synthesis) is that the process works in the presence of carbon, which causes the Boudouard equilibrium (between CO 2 and CO over glowing C). The input of heat can be controlled very precisely by the quantity of microwave-absorbing material added in combination with the selected radiation energy. It is an advantage of the invention that the contact of the metal carbonate or metal hydroxide with the microwave-absorbing material is very good. Very good and homogeneous mixing is therefore advantageous.
Das reine CO/CO2 bzw. reine CO2-Gas kann vielseitig genutzt werden, z.B. bei der Brennstoffsynthese (Methanol), Industrie (z.B. Lebensmittelindustrie), oder Speicherung ohne weiteren Konditionierungsaufwand.The pure CO/CO 2 or pure CO 2 gas can be used in a variety of ways, eg in fuel synthesis (methanol), industry (eg the food industry), or storage without further conditioning effort.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung findet das Mischen in a) in einem Drehrohrofen oder Wirbelschichtmischer (d.h. einem Wirbelschichtreaktor) statt.In a preferred embodiment of the invention the mixing in a) takes place in a rotary kiln or fluidized bed mixer (i.e. a fluidized bed reactor).
Die Bestrahlung in b) findet bevorzugt in einem Wirbelschichtreaktor, einem Drehrohrofen oder einem Schachtofen statt.The irradiation in b) preferably takes place in a fluidized bed reactor, a rotary kiln or a shaft furnace.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform findet das Bestrahlen in Schritt b) in einem Wirbelschichtreaktor oder einem Drehrohr statt, insbesondere im Wirbelschichtreaktor. Der Mikrowellenerzeuger kann dabei auch außerhalb des Innenraums liegen. Im Sinne der Erfindung wird darauf abgestellt, dass das Auftreffen der Mikrowellen im Inneren des Wirbelschichtreaktors oder Drehrohrs stattfindet. Besonders von Vorteil ist dabei der gute Kontakt zwischen dem zu zersetzenden Material (d.h. dem Metall-Carbonat und/oder dem Metall-Hydroxid) und den Mikrowellen-absorbierenden Material während der Bestrahlung. Auch die dabei während der Bestrahlung weiter stattfindende Durchmischung fördert die gleichmäßige Abgabe der von dem Mikrowellen-absorbierenden Material aufgenommenen Mikrowellen an das zu zersetzende Material in Form von Wärme.In a likewise preferred embodiment, the irradiation in step b) takes place in a fluidized bed reactor or a rotary tube, in particular in a fluidized bed reactor. The microwaver generator can also be outside of the interior. For the purposes of the invention, the impingement of the microwaves takes place inside the fluidized bed reactor or rotary tube. The good contact between the material to be decomposed (ie the metal carbonate and/or the metal hydroxide) and the microwave-absorbing material during the irradiation is particularly advantageous. The mixing that continues to take place during the irradiation also promotes the uniform release of the microwaves absorbed by the microwave-absorbing material to the material to be decomposed in the form of heat.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung findet das Mischen in a) und das Bestrahlen in b) gleichzeitig statt.In a preferred embodiment of the invention, the mixing in a) and the irradiation in b) take place simultaneously.
Dabei wird besonders bevorzugt im gleichen Reaktor gemischt (a) und bestrahlt (b). Insbesondere eignet sich dafür ein Wirbelschichtreaktor oder ein Drehrohr, die zweckmäßig mit einem Mikrowellenerzeuger ausgestattet sind. Besonders bevorzugt ist es ein Wirbelschichtreaktor. Von dieser Variante, in der sowohl a) als auch b) in dem gleichen Wirbelschichtreaktor oder Drehrohrofen stattfinden, ist allerdings auch umfasst, dass eine fertige Mischung aus zu zersetzendem Material und Mikrowellen-absorbierendem Material eingesetzt wird.Mixing (a) and irradiation (b) are particularly preferably carried out in the same reactor. A fluidized bed reactor or a rotary tube, which are expediently equipped with a microwave generator, are particularly suitable for this purpose. It is particularly preferably a fluidized bed reactor. However, this variant, in which both a) and b) take place in the same fluidized bed reactor or rotary kiln, also includes the use of a ready-made mixture of material to be decomposed and microwave-absorbing material.
Vorteilhaft ist dabei besonders wenig Mikrowellen-absorbierendes Material nötig.Advantageously, particularly little microwave-absorbing material is required.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die Temperaturdes zu bestrahlenden Guts während der Bestrahlung in Schritt b) bei 500-1100°C. Die bei der Bestrahlung eingesetzte Temperatur richtet sich nach der Zersetzungstemperatur des im Verfahren eingesetzten Metall-Carbonats bzw. -hydroxids.In a preferred embodiment of the invention, the temperature of the material to be irradiated during the irradiation in step b) is 500-1100°C. The temperature used during the irradiation depends on the decomposition temperature of the metal carbonate or hydroxide used in the process.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Metall-Carbonate bzw. -hydroxide eingesetzt, die kein oder nur ein geringes Dipolmoment aufweisen und selbst daher keine oder nicht nennenswert Mikrowellen absorbieren. Derartige Verbindungen sind insbesondere Magnesiumcarbonat, Calciumcarbonat und Aluminiumhydroxid.In a preferred embodiment of the invention, metal carbonates or metal hydroxides are used which have no or only a small dipole moment and therefore themselves absorb no or not appreciable microwaves. Such compounds are in particular magnesium carbonate, calcium carbonate and aluminum hydroxide.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Metall-Carbonat und/oder Metall-Hydroxid unabhängig voneinander ausgewählt aus Erdalkalimetall- und Alkalimetall-Carbonaten bzw. -Hydroxiden.In a preferred embodiment of the invention, the metal carbonate and/or metal hydroxide is independently selected from alkaline earth metal and alkali metal carbonates or hydroxides.
Bevorzugt ist bei der Erfindung das Metall-Carbonat ausgewählt aus Magnesiumcarbonat und Calciumcarbonat und/oder das Metall-Hydroxid ausgewählt aus Aluminiumhydroxid und Magnesiumhydroxid.In the invention, the metal carbonate is preferably selected from magnesium carbonate and calcium carbonate and/or the metal hydroxide is selected from aluminum hydroxide and magnesium hydroxide.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Metall-Hydroxid ausgewählt aus Al(OH)3 und Mg(OH)2.In a preferred embodiment of the invention, the metal hydroxide is selected from Al(OH) 3 and Mg(OH) 2 .
Ein einer Ausführungsform mit Al(OH)3 als Metall-Hydroxid liegt die Temperatur des zu bestrahlenden Guts während der Bestrahlung in Schritt b) bei 900-1100°C, bevorzugt bei 950±20°C.In one embodiment with Al(OH) 3 as the metal hydroxide, the temperature of the material to be irradiated is 900-1100° C., preferably 950±20° C., during the irradiation in step b).
Wird MgCO3 mit der Erfindung zersetzt, liegt diese Temperatur bevorzugt bei 500-700°C, besonders bevorzugt 550-650°C, insbesondere 600±20°C, bei CaCO3 bei 800-1100°C, besonders bevorzugt 900-1000°C, insbesondere 950±20°C.If MgCO 3 is decomposed with the invention, this temperature is preferably 500-700° C., particularly preferably 550-650° C., particularly 600±20° C., with CaCO 3 at 800-1100° C., particularly preferably 900-1000° C, especially 950±20°C.
Die Temperatur kann auch signifikant höher liegen (bis zu 1800°C), wenn z.B. niedrige Porosität bei den erhaltenen Produkten gewünscht ist, wie es der Fall ist beim MgO-Produkt „dead burnt magnesia“.The temperature can also be significantly higher (up to 1800°C) if, for example, low porosity is desired in the products obtained, as is the case with the MgO product "dead burnt magnesia".
Das Mikrowellen-absorbierende Material ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ausgewählt aus Kohlenstoff (wie beispielsweise Koks, Petrolkoks oder Aktivkohle), Eisenoxid, Kupferoxid und SiC, besonders bevorzugt aus Kohlenstoff, insbesondere Kohlenstoff.In a preferred embodiment of the invention, the microwave-absorbing material is selected from carbon (such as coke, petroleum coke or activated carbon), iron oxide, copper oxide and SiC, particularly preferably from carbon, in particular carbon.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform wird als Mikrowellen-absorbierendes Material Kohlenstoff oder ein Metall-Oxid eingesetzt.In a likewise preferred embodiment, carbon or a metal oxide is used as the microwave-absorbing material.
In der Variante der Erfindung, bei der Kohlenstoff (als Mikrowellen-absorbierendes Material) und Metallcarbonat (als zu zersetzendes Material) eingesetzt werden, stellt sich für das entstehende CO2 das bekannte Boudouard-Gleichgewicht (CO2 + C ⇔ 2 CO) über glühendem Kohlenstoff ein. Das heißt, das entstehende CO2-Gas würde mit CO verunreinigt. Bevorzugt liegt bei dieser Variante die Temperatur während der Bestrahlung in b) maximal 50°C über der Zersetzungstemperatur des jeweiligen Metall-Carbonats. Bekanntermaßen liegt das Boudouard-Gleichgewicht bei ca. 700°C relativ weit auf der CO2-Seite und bei 1300°C relativ weit auf der CO-Seite. Dennoch ist die Kinetik der Boudouard-Reaktion relativ langsam bei Temperaturen < 1200°K (923°C).In the variant of the invention in which carbon (as microwave-absorbing material) and metal carbonate (as material to be decomposed) are used, the well-known Boudouard equilibrium (CO 2 +C ⇔ 2 CO) is established for the resulting CO 2 over glowing carbon one. That is, the resulting CO 2 gas would be contaminated with CO. In this variant, the temperature during the irradiation in b) is preferably at most 50° C. above the decomposition temperature of the respective metal carbonate. As is known, the Boudouard equilibrium is relatively far on the CO 2 side at approx. 700°C and relatively far on the CO side at 1300°C. However, the kinetics of the Boudouard reaction are relatively slow at temperatures < 1200°K (923°C).
Es ist dabei besonders von Vorteil, dass mit der Erfindung die Temperatur im Gasraum der Bestrahlung in b) wesentlich geringer ist als auf der Oberfläche des Mikrowellen-absorbierenden Materials.It is particularly advantageous that, with the invention, the temperature in the gas space of the irradiation in b) is significantly lower than on the surface of the microwave-absorbing material.
Wenn CO entsteht, aber sauberes CO2 gewünscht ist, wird bevorzugt auch das CO zu CO2 umgewandelt über die folgenden beiden Teilreaktionen, beispielsweise über eine „Chemical Looping“ Filter:
- 1. Metall-Oxid + CO = Metall + CO2
- 2. Metall + 0.5 O2 (Luft) = Metall-Oxid.
- 1. metal oxide + CO = metal + CO 2
- 2. metal + 0.5 O 2 (air) = metal oxide.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Mikrowellen-absorbierende Material zusätzlich eine äußere Beschichtung aus dem Metall-Oxid, das mit dem Verfahren hergestellt wird. Das bedeutet im Beispiel, dass CaCO3 zersetzt werden soll, dass beispielsweise ein Kern aus SiC mit CaO überzogen ist.In a preferred embodiment of the invention, the microwave absorbing material additionally comprises an outer coating of the metal oxide produced by the method. In the example, this means that CaCO 3 is to be decomposed, that, for example, a core made of SiC is coated with CaO.
Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass ein Abrieb beim Mischen nicht zu einer Verunreinigung des Produkts führt, da lediglich das gewünschte Produkt abgerieben wird.The advantage of this embodiment is that abrasion during mixing does not lead to contamination of the product since only the desired product is rubbed off.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat das Metall-Carbonat und/oder das metall-Hydroxid eine Partikelgröße im Bereich von 1µm bis unter 1 mm.In a preferred embodiment of the invention, the metal carbonate and/or the metal hydroxide has a particle size in the range from 1 μm to less than 1 mm.
In einer Ausführungsform ist das Mikrowellen-absorbierende Material größer, bevorzugt >1mm, insbesondere 1-2mm. bei Kombination beider Ausführungen lässt sich vorteilhaft das Mikrowellen-absorbierende Material nach der erfindungsgemäßen Zersetzung wieder leicht abtrennen, vom erhaltenen Metall-Oxid.In one embodiment, the microwave-absorbing material is larger, preferably >1mm, in particular 1-2mm. when both versions are combined, the microwave-absorbing material can advantageously be easily separated again after the decomposition according to the invention, from the metal oxide obtained.
Bevorzugt erfolgt nach Durchführung der Erfindung eine Entfernung des Mikrowellen-absorbierenden Materials mittels Siebung, Windsichtung, oder auf magnetische Weise, falls eines Materialen magnetisch ist.After the invention has been carried out, the microwave-absorbing material is preferably removed by means of sieving, air classification, or in a magnetic manner if one of the materials is magnetic.
Ein Magnetisches Mikrowellen-absorbierendes Materialien ist beispielsweise Magnetit.An example of a magnetic microwave absorbing material is magnetite.
Bei einer Siebung wird basierend auf den unterschiedlichen Partikelgrößen, beispielsweise wie in der zuvor genannten Ausführungsform, aufgetrennt. Die Siebung kann heiß stattfinden oder nach einer Kühlung der zu siebenden Mischung.In a sieving, separation is based on the different particle sizes, for example as in the aforementioned embodiment. The screening can take place hot or after the mixture to be screened has been cooled.
Bei einer Windschichtung ist es möglich, die feinere Fraktion (Metall-Oxid) mit dem Gasstrom abzutrennen. Die Windschichtung kann heiß stattfinden oder nach einer Kühlung der zu siebenden Mischung.With wind stratification, it is possible to separate the finer fraction (metal oxide) with the gas flow. Wind stratification can take place hot or after cooling the mixture to be screened.
Mit diesen Varianten kann wieder abgetrenntes Mikrowellen-absorbierendes Material wiederverwendet werden.With these variants, microwave-absorbing material that has been separated off again can be reused.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verwendungen, findet die Zersetzung im Innenraum eines Wirbelschichtreaktors, Drehrohrreaktors oder Schachtofens statt, bevorzugt eines Wirbelschichtreaktors oder Drehrohrreaktors (= Drehrohr), insbesondere eines Wirbelschichtreaktors. Das heißt es geht jeweils um die Verwendung für die Zersetzung im Innenraum eines solchen Reaktors bzw. Ofens.
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1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der die Zersetzung mittels Mikrowellen im Innenraum eines Wirbelschichtreaktors stattfindet. -
2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der das Mikrowellen-absorbierende Material zusätzlich eine äußere Beschichtung aus dem Metall-Oxid umfasst, das mit dem Verfahren hergestellt wird.
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1 shows a preferred embodiment of the invention, in which the decomposition takes place by means of microwaves in the interior of a fluidized bed reactor. -
2 Figure 1 shows a preferred embodiment of the invention in which the microwave absorbing material additionally comprises an outer coating of the metal oxide produced by the method.
Alle genannten Ausführungsformen können in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden.All of the embodiments mentioned can be combined with one another in any desired manner.
Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Ausführungsbeispiele beschrieben, ohne auf diese beschränkt zu sein.The invention is described by the following exemplary embodiments without being restricted to them.
Ausführungsbeispieleexemplary embodiments
Ausführungsbeispiel 1: CaCO3/ Petrolkoks / Drehrohrofen / flächige BestrahlungExample 1: CaCO 3 / petroleum coke / rotary kiln / surface irradiation
Es wird CaCO3 eingesetzt und in einem Drehrohrofen mit trockenem und vorentgasten Petrolkoks (Verhältnis CaCO3/Petrolkoks: 1:0,5) vermischt und dabei bei 200°C für 10 min. vorgeheizt. Anschließend wird die Mischung flächig verteilt und flächig mit Mikrowellen bestrahlt. Keine von den CaCO3-Partikeln (und somit auch von den produzierenden CaO-) Partikeln ist größer als 800 µm. Die vorentgasten Petrolkoks-Partikel sind größer als 1,2 mm.CaCO 3 is used and mixed in a rotary kiln with dry and previously degassed petroleum coke (ratio CaCO 3 /petroleum coke: 1:0.5) and preheated at 200° C. for 10 minutes. The mixture is then spread over a large area and irradiated with microwaves over a large area. None of the CaCO 3 particles (and thus also of the producing CaO) particles is larger than 800 µm. The pre-degassed petroleum coke particles are larger than 1.2 mm.
Die Bestrahlungsleistung des Mikrowellenerzeugers wird so gewählt, dass die Temperaturmessung in der flächigen Mischung einen Wert von ca. 900°C ergibt. Die benötigte Energie, um die Mischung aufzuheizen und um die Spaltung von CaCO3 zu realisieren, liegt bei ca. 0,57 kWh/kg Mischung. Abschließend wird der Petrolkoks-Rückstand vom erhaltenen CaO getrennt. Die obengenannten Partikelgrößen würden dies über eine Siebung erlauben.The radiation power of the microwave generator is selected in such a way that the temperature measurement in the flat mixture gives a value of approx. 900°C. The energy required to heat the mixture and to split CaCO 3 is around 0.57 kWh/kg mixture. Finally, the petroleum coke residue is separated from the CaO obtained. The particle sizes mentioned above would allow this via sieving.
Ausführungsbeispiel 2: MgCO3 / Biokoks / WirbelschichtreaktorExemplary embodiment 2: MgCO 3 / biocoke / fluidized bed reactor
In Ausführungsbeispiel wird MgCO3 (keine von den Partikeln größer als 0,7 mm) mit Biokoks (gewonnen durch Pyrolyse von Biomassenabfälle) in einem Wirbelschichtreaktor vermischt. Das Verhältnis zwischen MgCO3 und Biokoks ist (1: 0,25). Die Bestrahlung findet im Innern des Wirbelschichtreaktors statt, so dass eine Temperatur im Innern von 600°C erreicht wird. Die benötigte Energie, um die Mischung aufzuheizen und um die Calcination von MgCO3 zu realisieren, liegt bei ca. 0,45 kWh/kg Mischung, wenn das Eingangsmaterial nicht vorgeheizt wird. Anschließend wird die Biokoks (Partikel > 1mm) vom MgO getrennt mittels Siebung.In the exemplary embodiment, MgCO 3 (no particles larger than 0.7 mm) is mixed with biocoke (obtained by pyrolysis of biomass waste) in a fluidized bed reactor. The ratio between MgCO 3 and biocoke is (1: 0.25). The irradiation takes place inside the fluidized bed reactor, so that an internal temperature of 600°C is reached. The energy required to heat the mixture and to realize the calcination of MgCO 3 is about 0.45 kWh/kg mixture if the input material is not preheated. The biocoke (particles > 1mm) is then separated from the MgO by sieving.
Ausführungsbeispiel 3: Al(OH)3 / Kupferoxid beschichtet mit Al2O3 / WirbelschichtreaktorExample 3: Al(OH) 3 / copper oxide coated with Al 2 O 3 / fluidized bed reactor
Das Ausführungsbeispiel 3 wird analog Ausführungsbeispiel 2 durchgeführt. Das Verhältnis zwischen Al(OH)3 und Kupferoxid als Mikrowellen-absorbierendes Material ist (1: 0,25). Allerdings wird Al(OH)3 mit einer Partikelgröße von 100µm eingesetzt und mit Kupferoxid vermengt, das mit Al2O3 beschichtet ist (Partikelgröße des beschichteten Kupferoxids insgesamt 1,5mm). Die Bestrahlung erfolgt in dem Beispiel bei 950°C. Die benötigte Energie, um die Mischung aufzuheizen und um die Calcination vonAl(OH)3 zu realisieren, liegt bei ca. 0,5 kWh/kg Mischung, wenn die Mischung bei 250°C vorgeheizt wird. Nach erfolgter Bestrahlung wird das Kupferoxid-Partikel mittels Windschichtung entfernt.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Wirbelschichtreaktorfluidized bed reactor
- 22
- Mikrowellenmicrowaves
- 33
- Mikrowellen-absorbierendes MaterialMicrowave absorbing material
- 44
- Metall-Carbonat und/oder Metall-Hydroxidmetal carbonate and/or metal hydroxide
- 55
- Metall-Oxid-BeschichtungMetal Oxide Coating
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 102010050495 A1 [0003]DE 102010050495 A1 [0003]
- US 5525783 [0007]US5525783 [0007]
- DE 10260743 A1 [0008]DE 10260743 A1 [0008]
- US 4967486 [0009]US4967486 [0009]
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2020
- 2020-10-16 DE DE102020127374.6A patent/DE102020127374A1/en not_active Ceased
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