DE102020200186A1 - Process for heat treatment and color optimization of natural clays - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung mineralischer Feststoffe, wobei die Vorrichtung wenigstens einen Vorwärmer und einen Flugstromreaktor 10 aufweist, wobei am Ausgang des Flugstromreaktors 10 eine Abscheidevorrichtung 20 angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass am Ausgang des Gasstromes der Abscheidevorrichtung 20 eine thermische Behandlungszone 30 angeordnet ist, wobei der Ausgang der thermischen Behandlungszone 30 mit dem Eingang für den Gasstrom des Vorwärmers verbunden ist.The present invention relates to a device for the thermal treatment of mineral solids, the device having at least one preheater and an entrained flow reactor 10, a separation device 20 being arranged at the outlet of the entrained flow reactor 10, characterized in that a thermal treatment zone at the outlet of the gas flow of the separation device 20 30 is arranged, wherein the output of the thermal treatment zone 30 is connected to the input for the gas flow of the preheater.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von farboptimiertem Zementklinker aus Ausgangsstoffen, die natürlicher Tone enthalten.The invention relates to a device for producing color-optimized cement clinker from raw materials that contain natural clays.
Zement ist ein hydraulisch erhärtender Baustoff, der aus einem Gemisch fein gemahlener, nichtmetallisch-anorganischer Bestandteile besteht. Er wird in der Regel durch gemeinsames Vermahlen des gebrannten Zementklinkers mit Gips und gegebenfalls weiteren Supplementary Cementing Materials(SCM) hergestellt.Cement is a hydraulically hardening building material that consists of a mixture of finely ground, non-metallic-inorganic components. It is usually produced by grinding the burnt cement clinker together with gypsum and, if necessary, other Supplementary Cementing Materials (SCM).
Der Hauptrohstoff für die Klinkerherstellung ist Kalkstein, der in Steinbrüchen abgebaut, in Brechern vorzerkleinert und in das Zementwerk befördert wird. Nach einer Vermahlung und Trocknung wird er mit anderen gemahlenen Komponenten, wie Sand, Ton oder Eisenerz zu einem Rohmehl vermischt. Dieses Rohmehl wird in einem Drehrohrofen bei Temperaturen oberhalb von etwa 1.450 °C zu Klinker gebrannt und dann in einem Kühler auf eine Temperatur von vorzugsweise unter 200°C abgekühlt. Anschließend werden die entstandenen Granalien in einer Mühle, beispielsweise Kugel- oder Rollenmühle, zusammen mit Gips oder Anhydrit zum Zement vermahlen.The main raw material for clinker production is limestone, which is mined in quarries, pre-crushed in crushers and transported to the cement works. After grinding and drying, it is mixed with other ground components such as sand, clay or iron ore to form a raw meal. This raw meal is burned to clinker in a rotary kiln at temperatures above about 1,450 ° C and then cooled in a cooler to a temperature of preferably below 200 ° C. The resulting granules are then ground in a mill, for example a ball or roller mill, together with plaster of paris or anhydrite to form cement.
Aufgrund des enormen Wachstums der Zementnachfrage in den Entwicklungsländern ist der Anteil der Zementproduktion an den gesamten anthropogenen CO2-Emissionen stetig gestiegen und wird von einigen Quellen auf etwa 10 % oder etwa 6 % der gesamten anthropogenen Treibhausgase geschätzt. Dies geschah trotz der wichtigen Verbesserungen der Produktionseffizienz und der Bemühungen der Zementindustrie um Emissionsminderung seit den 1970er Jahren (Karen L. Scrivener, Vanderley M. John, Ellis M. Gartner; Eco-efficient cements: Potential conomically viable solutions for a low-CO2 cement-based materials industry, United Nations Environment Programme (2017)). Da mehr als etwa die Hälfte der CO2-Emissionen bei der Klinkerherstellung durch den Rohstoff Kalkstein verursacht werden, kann die Reduzierung des Klinkergehalts (Klinkerfaktor) durch Ersatz einer anderen Komponente einen wesentlichen Beitrag zur Reduzierung dieser Emissionen leisten.Due to the enormous growth in cement demand in developing countries, the share of cement production in total anthropogenic CO 2 emissions has steadily increased and is estimated by some sources to be around 10% or around 6% of total anthropogenic greenhouse gases. This happened despite the important improvements in production efficiency and the efforts of the cement industry to reduce emissions since the 1970s (Karen L. Scrivener, Vanderley M. John, Ellis M. Gartner; Eco-efficient cements: Potential conomically viable solutions for a low-CO 2 cement-based materials industry, United Nations Environment Program (2017)). Since more than about half of the CO 2 emissions in clinker production are caused by the raw material limestone, reducing the clinker content (clinker factor) by replacing another component can make a significant contribution to reducing these emissions.
Als Zementersatzstoff beziehungsweise SCM wurde zum Beispiel kalzinierter Ton oder auch natürlich getemperte Puzzolane vorgeschlagen. Als kalzinierter Ton wird ein geeigneter, natürlich vorkommender Ton bezeichnet, der thermisch bei geeigneter Temperatur aktiviert wurde, so dass er puzzolanische Eigenschaften erhält. Hierfür geeignete Tone enthalten im Allgemeinen Tonminerale in Form von 1-Lagen und/oder 2-Lagen Schichtsilikate, zum Beispiel Kaolinit, Illit oder Montmorillonit. Zusätzlich können diese Tone noch Begleitminerale enthalten, wie zum Beispiel Quarz, Feldspäte, Kalzit, Dolomit, aber auch Metalloxide und -hydroxide oder speziell auch Eisenhydroxide. Natürlich vorkommende Tone sind meist eisenreich, und/oder enthalten andere farbgebende Metalle, so dass es bei der herkömmlichen Calcinierung beispielsweise zu einer rötlichen Verfärbung des Produktes kommt. Diese Färbung ist zwar für die Festigkeit und andere Baustoffeigenschaften nicht relevant, wird aber von Anlagenbetreibern und Baustoffkunden als unerwünscht eingestuft. Nach derzeitigem Stand hängt die Akzeptanz eines Baustoffes bei den Endverbrauchern, d.h. das Marktpotenzial der calcinierten Tone und somit das Potential zur möglichen CO2-Einsparung aber wesentlich von deren Farbe ab.For example, calcined clay or naturally tempered pozzolans have been proposed as cement substitutes or SCMs. Calcined clay is a suitable, naturally occurring clay that has been thermally activated at a suitable temperature so that it acquires pozzolanic properties. Clays suitable for this generally contain clay minerals in the form of 1-layer and / or 2-layer sheet silicates, for example kaolinite, illite or montmorillonite. These clays can also contain accompanying minerals, such as quartz, feldspars, calcite, dolomite, but also metal oxides and hydroxides or especially iron hydroxides. Naturally occurring clays are usually rich in iron and / or contain other coloring metals, so that conventional calcination, for example, results in a reddish discoloration of the product. Although this color is not relevant for the strength and other building material properties, it is classified as undesirable by plant operators and building material customers. According to the current state of affairs, the acceptance of a building material by end users, ie the market potential of the calcined clays and thus the potential for possible CO 2 savings, depends essentially on their color.
Die Kalzinierung feinkörniger mineralischer Feststoffe, wie beispielsweise Ton, erfolgt herkömmlicher Weise in Drehrohröfen oder Etagenrostöfen. Hierdurch wird die Einhaltung einer niedrigen Temperatur bei einer für die Behandlung bei diesem Verfahren notwendigen Verweilzeit gewährleistet. So beschreibt die
Vor dem Hintergrund der globalen Minderung der CO2-Emissionen rücken Stoffe, die zur Festigkeitsentwicklung in Zement und/oder im Beton beitragen und bei deren Herstellung weniger CO2 als in Zementklinkerbrennprozess freigesetzt wird, immer mehr in den Fokus. Natürliche Tone und/oder Zeolithe, welche einer thermischen Behandlung (Calcination) unterzogen werden, scheinen hierbei ein vielversprechendes Potenzial zu besitzen.Against the background of the global reduction in CO 2 emissions, substances that contribute to the development of strength in cement and / or concrete and the production of which less CO 2 is released than in the cement clinker burning process are increasingly coming into focus. Natural clays and / or zeolites that are subjected to thermal treatment (calcination) seem to have promising potential in this regard.
So ist aus der
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Es ist somit üblich zur Farboptimierung während der thermischen Behandlung, beispielsweise während der Calcination, reduzierend wirkende Gaskomponenten, beispielsweise Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H2), Kohlenstoff und/oder /Kohlenwasserstoffe zuzugeben. Diese wirken reduzieren auf die MetalloxidVerbindungen in den Tonen und reduzieren diese zumindest teilweise, sodass eine unerwünschte Rotfärbung des Produktes vermindert beziehungsweise unterbunden und/oder eine Graufärbung Produktes erreicht wird.It is therefore customary to add reducing gas components, for example carbon monoxide (CO), hydrogen (H 2 ), carbon and / or / or hydrocarbons, to optimize the color during the thermal treatment, for example during the calcination. These act to reduce the metal oxide compounds in the clays and at least partially reduce them, so that an undesired red coloration of the product is reduced or prevented and / or a gray coloration of the product is achieved.
Um eine effektive und weiterreichende Farboptimierung zu ermöglichen ist es erforderlich, dass auch noch zum Ende des Prozessschrittes thermischen Behandlung, beispielsweise der Calcination und Farboptimierung reduzierend wirkende Gaskomponenten vorhanden sind. Somit sind diese reduzierend wirkenden Gaskomponenten im Abgas der Anlage vorhanden. Diese können jedoch nicht einfach an die Umwelt abgegeben werden. Daher muss das Abgas der Anlage nachbehandelt werden. Diese erfolgt üblicherweise in einer Nachverbrennung, die dadurch erzeugte Energie, beispielsweise in Wärmetauschern, zurückgewonnen. Außerdem muss die Verbrennung bei ausreichend hohen Temperaturen und für ausreichend lange Zeit durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass keine schädlichen Substanzen an die Umwelt abgegeben werden. Hierzu ist üblicherweise die weitere Zugabe von Brennmitteln notwendig. Dieses Verfahren ist jedoch aufwendig und erzeugte Energie kann nur begrenzt mit vertretbarem Aufwand genutzt werden.In order to enable an effective and more far-reaching color optimization, it is necessary that gas components with a reducing effect are also present at the end of the thermal treatment process step, for example calcination and color optimization. These reducing gas components are therefore present in the exhaust gas of the system. However, these cannot simply be released into the environment. The exhaust gas from the system must therefore be post-treated. This usually takes place in an afterburning, the energy generated thereby, for example in heat exchangers, is recovered. In addition, the incineration must be carried out at sufficiently high temperatures and for a long enough time to ensure that no harmful substances are released into the environment. For this purpose, it is usually necessary to add more fuel. However, this process is complex and the energy generated can only be used to a limited extent with reasonable effort.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Tonen mit Farboptimierung bereitzustellen, bei welcher eine sichere Entfernung schädliche Komponenten im Abgas der Prozessstufe mit Farboptimierung, beispielsweise Kohlenmonoxid oder Kohlenwasserstoffe, erfolgt und gleichzeitig die dabei erzeugte Energie möglichst effizient in den Gesamtprozess eingebracht wird.The object of the invention is to provide a device for the thermal treatment of clays with color optimization in which harmful components in the exhaust gas of the process stage with color optimization, for example carbon monoxide or hydrocarbons, are safely removed and at the same time the energy generated is introduced into the overall process as efficiently as possible .
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Vorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch das Verfahren mit den in Anspruch 7 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.This object is achieved by the device with the features specified in claim 1 and by the method with the features specified in claim 7. Advantageous further training result from the subclaims, the following description and the drawings.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur thermischen Behandlung mineralischer Feststoffe, insbesondere natürlicher Tone. Insbesondere handelt es sich um Feststoffen, welche Gehalte an Eisen, Mangan, Chrom oder anderen farbgebenden Metallen aufweisen, die als eigenständige Mineralphasen und/oder eingelagert in Mineralphasen des Tons vorliegen können. Die Vorrichtung weist wenigstens einen Vorwärmer und einen Flugstromreaktor auf. Der Flugstromreaktor wird mit einer für farbgebende Metalloxide reduzierend wirkenden Atmosphäre betrieben, um eine Farboptimierung der verwendeten Rohmaterialien bei der thermischen Behandlung zu erzielen. The device according to the invention is used for the thermal treatment of mineral solids, in particular natural clays. In particular, these are solids which contain iron, manganese, chromium or other coloring metals that can be present as independent mineral phases and / or embedded in mineral phases of the clay. The device has at least one preheater and an entrained flow reactor. The entrained flow reactor is operated with an atmosphere that has a reducing effect on coloring metal oxides in order to optimize the color of the raw materials used in the thermal treatment.
Beispielsweise und bevorzugt ist der Flugstromreaktor für den Einsatz von Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe, Erdgas, Öl oder Kohle ausgelegt. Am Ausgang des Flugstromreaktors ist eine Abscheidevorrichtung angeordnet, in der der Feststoff weitgehend von der Gasphase abgetrennt wird.For example and preferably, the entrained flow reactor is designed for the use of hydrogen, carbon monoxide, hydrocarbons, natural gas, oil or coal. A separation device is arranged at the outlet of the entrained flow reactor, in which the solid is largely separated from the gas phase.
Der Flugstromreaktor dient der Farboptimierung, in dem bevorzugt ebenfalls die thermische Behandlung, insbesondere die thermische Aktivierung des mineralischen Feststoffes, insbesondere des Tones, erfolgen kann. Die Farboptimierung kann der thermischen Behandlung auch nachgeschaltet sein.The entrained flow reactor is used to optimize the color, in which the thermal treatment, in particular the thermal activation of the mineral solid, in particular the clay, can preferably also take place. The color optimization can also follow the thermal treatment.
Um natürliche Tone zu einem möglichst farblosen Produkt zu verarbeiten weist beispielsweise der Flugstromreaktor eine auf farbgebende Metalloxide reduzierend wirkende Atmosphäre auf. Unter „farbloses Produkt“ wird im Sinne der Erfindung verstanden, dass das Produkt keine Farbigkeit, beispielsweise eine Rotfärbung aufweist, sondern ein weißes oder graues Erscheinungsbild hat. Unter „reduzierender Atmosphäre“ wird im Sinne der Erfindung verstanden, dass Gas- oder Brennstoffbestandteile aufweist, welche reduzierend sind, Insbesondere und bevorzugt sind die Gas- oder Brennstoffbestandteile nicht vollständig ausgebrannt, also zum Beispiel noch Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Wasserstoff oder noch Öl oder Kohle aber kein oder sehr wenig Sauerstoff im Gas enthält. Diese können der Gasphase, die dem Flugstromreaktor zugeführt wird, bereits enthalten sein, der Gasphase gezielt zugesetzt werden oder durch eine gezielt unvollständige Verbrennung von Erdgas, Öl, Kohle, Biomasse oder anderen Brennstoffen beispielsweise im Brenner oder auch im Flugstromreaktor erzeugt werden. Hierdurch enthält der Gasstrom, welche die nachgeschaltete Abscheidevorrichtung verlässt diese reduzieren Verbindungen, das heißt Wasserstoff, Kohlenmonoxid und/oder Kohlenwasserstoffe in Konzentrationen, die als umweltschädlich erachtet werden. Der Gasstrom enthält natürlich neben den reduzierenden Verbindungen (reduzierenden Bestandteilen) inerte Komponenten, insbesondere Stockstoff (N2) und Kohlendioxid (CO2).In order to process natural clays into a product that is as colorless as possible, the entrained flow reactor, for example, has an atmosphere that has a reducing effect on coloring metal oxides. In the context of the invention, “colorless product” is understood to mean that the product has no color, for example a red color, but rather has a white or gray appearance. In the context of the invention, “reducing atmosphere” is understood to mean that it has gas or fuel constituents which are reducing, in particular and preferably the gas or fuel constituents are not completely burned out, for example hydrocarbons, carbon monoxide, hydrogen or oil or coal but contains little or no oxygen in the gas. These can already be contained in the gas phase that is fed to the entrained flow reactor, added to the gas phase in a targeted manner or generated by a deliberately incomplete combustion of natural gas, oil, coal, biomass or other fuels, e.g. in the burner or in the entrained flow reactor. As a result, the gas stream that leaves the downstream separation device contains these reduced compounds, that is to say hydrogen, carbon monoxide and / or hydrocarbons, in concentrations that are considered to be environmentally harmful. In addition to the reducing compounds (reducing constituents), the gas stream naturally contains inert components, in particular nitrogen (N 2 ) and carbon dioxide (CO 2 ).
Daher ist am Ausgang des Gasstromes der Abscheidevorrichtung eine thermische Behandlungszone angeordnet, in der beispielsweise und insbesondere die unvollständig ausgebrannten Bestandteile annähernd vollständig ausgebrannt werden. Der Ausgang der thermischen Behandlungszone ist mit dem Eingang für den Gasstrom des Vorwärmers verbunden. In der thermischen Behandlungszone werden natürlich nur die reduzierenden Bestandteile oxidiert, die inerten Bestandteile (Komponenten) bleiben unverändert.Therefore, a thermal treatment zone is arranged at the outlet of the gas stream of the separation device, in which, for example and in particular, the incompletely burned-out components are almost completely burned out. The outlet of the thermal treatment zone is connected to the inlet for the gas flow of the preheater. In the thermal treatment zone, of course, only the reducing constituents are oxidized, the inert constituents (components) remain unchanged.
Vorteil der Anordnung der thermischen Behandlungszone an dieser Stelle ist, dass die Gase zu diesem Zeitpunkt eine vergleichsweise hohe Temperatur aufweisen, beispielsweise 800 °C oder mehr. Üblicherweise übersteigen die Gase zu diesem Zeitpunkt eine Temperatur von 1200 °C jedoch nicht. Somit haben die Gase in etwa die Temperatur, die zur sicheren Verbrennung dieser Stoffe, welche nicht an die Umwelt abgegeben werden sollen, notwendig ist. Hierdurch kann erspart werden, dass der Abgasstrom nach einer Entstaubung erneut auf eine so hohe Temperatur aufgeheizt werden muss und anschließend diese Wärme wieder zurückgewonnen werden muss. Gleichzeitig wird hierdurch die gewonnene Wärmeenergie auf diesem hohen Temperaturniveau gewonnen und genutzt und direkt im Vorwärmer an den Strom des Rohmaterials abgegeben.The advantage of arranging the thermal treatment zone at this point is that the gases have a comparatively high temperature at this point in time, for example 800 ° C. or more. Usually, however, the gases do not exceed a temperature of 1200 ° C at this point in time. Thus, the gases have roughly the temperature required for the safe combustion of these substances, which should not be released into the environment. This saves the fact that the exhaust gas flow has to be reheated to such a high temperature after dedusting and that this heat then has to be recovered again. At the same time, the heat energy gained is obtained and used at this high temperature level and transferred directly to the flow of the raw material in the preheater.
Bevorzugt sind Tone, welche Tonminerale in Form von 1-Lagen- und/oder 2-Lagen-Schichtsilikate, zum Beispiel Kaolinit, Illit oder Montmorillonit enthalten. Zusätzlich können diese Tone noch Begleitminerale enthalten, wie zum Beispiel Quarz, Feldspäte, Kalzit, Dolomit, aber auch Metalloxide und -hydroxide oder speziell auch Eisenhydroxide.Clays which contain clay minerals in the form of 1-layer and / or 2-layer sheet silicates, for example kaolinite, illite or montmorillonite, are preferred. These clays can also contain accompanying minerals, such as quartz, feldspars, calcite, dolomite, but also metal oxides and hydroxides or especially iron hydroxides.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung zusätzlich beispielsweise eine Trocknungseinheit auf, welche das Rohmaterial zunächst trocknet, sofern auch Rohmaterial verarbeitet werden soll, welches eine zu hohe Feuchte aufweist. Weiter kann die Vorrichtung zusätzlich beispielsweise eine Zerkleinerungsvorrichtung, beispielsweise eine Mühle, aufweisen, um Rohmaterial weiter zu zerkleinern, sofern dieses nicht in der notwendigen Feinheit bereits angeliefert wird oder in der Lagerung zur Aggregation neigen kann. Des Weiteren kann die Vorrichtung zusätzlich eine Kühlvorrichtung aufweisen, welche das aus dem Flugstromreaktor austreten Produkt kühlt. Beispielsweise bevorzugt kann diese Kühlung zweistufig ausgeführt sein. Beispielsweise und bevorzugt kann die Kühlung, zumindest teilweise, unter inerten Bedingungen erfolgen.In a further embodiment of the invention, the device additionally has, for example, a drying unit which first dries the raw material if raw material is also to be processed which has too high a moisture content. Furthermore, the device can additionally have, for example, a comminution device, for example a mill, in order to comminute raw material further, provided that it is not already delivered in the required fineness or can tend to aggregate in storage. Furthermore, the device can additionally have a cooling device which cools the product emerging from the entrained flow reactor. For example, this cooling can preferably be carried out in two stages. For example and preferably, the cooling can take place, at least partially, under inert conditions.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung ein Bestandteil einer Anlage zur Herstellung von Zementklinker. Die Anlage zur Herstellung von Zementklinker kann zusätzlich beispielsweise eine Trocknungseinheit aufweisen, welche das Rohmaterial zunächst trocknet, sofern auch Rohmaterial verarbeitet werden soll, welches eine zu hohe Feuchte aufweist. Weiter kann die Anlage zur Herstellung von Zementklinker zusätzlich beispielsweise eine Zerkleinerungsvorrichtung, beispielsweise eine Mühle, aufweisen, um Rohmaterial weiter zu zerkleinern, sofern dieses nicht in der notwendigen Feinheit bereits angeliefert wird oder in der Lagerung zur Aggregation neigen kann. Des Weiteren kann die Anlage zur Herstellung von Zementklinker zusätzlich eine Kühlvorrichtung aufweisen, welche das aus dem Flugstromreaktor austreten Produkt kühlt. Beispielsweise wird diese Kühlung zweistufig oder mehrstufig ausgeführt, wobei mindestens in der ersten Kühlstufe die Kühlung unter inerten oder reduzierten Bedingungen, also ohne beziehungsweise vernachlässigbar kleinem Sauerstoffanteil im vom Produkt umgebenen Gas, abläuft.In a further embodiment of the invention, the device is part of a plant for the production of cement clinker. The plant for the production of cement clinker can additionally have a drying unit, for example, which first dries the raw material, provided that raw material is also to be processed which has too high a moisture content. Furthermore, the plant for the production of cement clinker can additionally have, for example, a comminution device, for example a mill, in order to further comminute raw material if it is not already delivered in the required fineness or can tend to aggregate in storage. Furthermore, the plant for the production of cement clinker can additionally have a cooling device which cools the product emerging from the entrained flow reactor. For example, this cooling is carried out in two or more stages, at least in the first cooling stage the cooling takes place under inert or reduced conditions, i.e. without or negligibly small oxygen content in the gas surrounded by the product.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die thermische Behandlungszone zylindrisch ausgeführt.In a further embodiment of the invention, the thermal treatment zone is designed to be cylindrical.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die thermische Behandlungszone rohrförmig senkrecht oberhalb der Abscheidevorrichtung angeordnet. Um die notwendige Verweilzeit in der thermischen Behandlungszone zu realisieren, und um eine sichere Verbrennung der reduzieren Verbindungen zu erreichen, weist die thermische Behandlungszone beispielsweise eine Länge von 5 m bis 50 m, bevorzugt von 10 m bis 40 m, auf. Bei den für solche Anlagen üblichen Strömungsgeschwindigkeiten der Gase wird so eine Verweilzeit von wenigen Sekunden ermöglicht. Hierdurch ergibt sich eine sichere Verbrennung der reduzieren Verbindungen.In a further embodiment of the invention, the thermal treatment zone is arranged in the form of a tube and perpendicularly above the separation device. In order to achieve the necessary residence time in the thermal treatment zone and to achieve reliable combustion of the reduced compounds, the thermal treatment zone has, for example, a length of 5 m to 50 m, preferably 10 m to 40 m. At the usual gas flow rates for such systems, a dwell time of a few seconds is made possible. This results in a safe combustion of the reduced compounds.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die thermische Behandlungszone mindestens eine erste Zuführungsvorrichtung für einen Brennstoff auf. Die Art der ersten Zuführungsvorrichtung ist von der Art des Brennstoffs abhängig. Als Brennstoff können feste Brennstoffe, flüssige Brennstoffe sowie gasförmige Brennstoffe verwendet werden. Beispiel für einen gasförmigen Brennstoff ist Erdgas, Beispiel für einen flüssigen Brennstoff ist Öl und ein Beispiel für einen festen Brennstoff ist Kohlenstaub. Die die thermische Behandlungszone kann mehrere erste Zuführungsvorrichtungen für einen Brennstoff aufweisen. Hierdurch ist eine bessere Vergleichmäßigung möglich.In a further embodiment of the invention, the thermal treatment zone has at least one first feed device for a fuel. The type of first feed device depends on the type of fuel. Solid fuels, liquid fuels and gaseous fuels can be used as fuel. An example of a gaseous fuel is natural gas, an example of a liquid fuel is oil, and an example of a solid fuel is pulverized coal. The thermal treatment zone can have a plurality of first feed devices for a fuel. This enables better equalization.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die thermische Behandlungszone mindestens eine zweite Zuführungsvorrichtung für Sauerstoff auf. Der Sauerstoff kann in Form von reinen Sauerstoff zugeführt werden, dieses wird jedoch aus Kostengründen meistens vermieden. Der Sauerstoff kann in Form von Luft zugeführt werden. Als weitere Sauerstoffquelle kann auch Abgas verwendet werden, welches zwar einen reduzierten Sauerstoffgehalt aufweist, dafür aber bereits erwärmt ist. Die die thermische Behandlungszone kann mehrere zweite Zuführungsvorrichtungen für Sauerstoff aufweisen. Hierdurch ist eine bessere Vergleichmäßigung möglich.In a further embodiment of the invention, the thermal treatment zone has at least one second supply device for oxygen. The oxygen can be supplied in the form of pure oxygen, but this is usually avoided for reasons of cost. The oxygen can be supplied in the form of air. Exhaust gas can also be used as a further source of oxygen, although this has a reduced oxygen content but is already heated. The thermal treatment zone can have a plurality of second supply devices for oxygen. This enables better equalization.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Zuführungsvorrichtung zur Zuführung von Sauerstoff unter erhöhtem Druck ausgebildet. Hierdurch wird eine bessere Durchmischung im Inneren der thermischen Behandlungszone erreicht.In a further embodiment of the invention, the second supply device is designed for supplying oxygen under increased pressure. This results in better mixing in the interior of the thermal treatment zone.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die thermische Behandlungszone eine zweite Zuführungsvorrichtung auf, mit der der Sauerstoff beziehungsweise die Luft unter erhöhtem Druck gegenüber dem Innendruck der thermischen Behandlungszone der thermischen Behandlungszone zugeführt wird, um so eine Vermischung des zugeführten Sauerstoffs mit dem Gas innerhalb der thermischen Behandlungszone sicherzustellen. Der erhöhte Druck kann beispielsweise und insbesondere mittels Ventilator oder Kompressor erzeugt werden. Es kann Luft auch in Form von Druckluft bereitgestellt werden.In a further embodiment of the invention, the thermal treatment zone has a second supply device with which the oxygen or the air is supplied to the thermal treatment zone under increased pressure compared to the internal pressure of the thermal treatment zone in order to allow the supplied oxygen to be mixed with the gas within the thermal Ensure treatment zone. The increased pressure can be generated, for example and in particular, by means of a fan or compressor. Air can also be provided in the form of compressed air.
Besonders bevorzugt weist die thermische Behandlungszone sowohl eine erste Zuführungsvorrichtung für einen Brennstoff als auch eine zweite Zuführungsvorrichtung für Sauerstoff auf. Hierdurch ist optimal möglich, die Temperaturbedingungen für eine sichere und zuverlässige Verbrennung der reduzieren Gase sicher einzustellen. Des Weiteren ist es möglich beispielsweise Umgebungsluft bei Umgebungstemperatur zu verwenden, wobei die benötigte Energie zur Erwärmung durch den Brennstoff bereitgestellt wird.The thermal treatment zone particularly preferably has both a first feed device for a fuel and a second feed device for oxygen. This makes it possible to optimally set the temperature conditions for safe and reliable combustion of the reduced gases. Furthermore, it is possible, for example, to use ambient air at ambient temperature, the energy required for heating being provided by the fuel.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Vorwärmer als Zyklonvorwärmer, insbesondere als mindestens zweistufiger Zyklonvorwärmer, ausgeführt.In a further embodiment of the invention, the preheater is designed as a cyclone preheater, in particular as an at least two-stage cyclone preheater.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur thermischen Behandlung von mineralischem Material, insbesondere zur Herstellung von natürlich getemperten Puzzolanen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- a) Vorwärmen eines mineralischen Materials in einem Vorwärmer,
- b) Thermisches Behandeln des mineralischen Materials in einem Flugstromreaktor in einer reduzierenden Atmosphäre,
- c) Trennen des Feststoff-Gas-Gemisches, welches aus dem Flugstromreaktor kommt in einer Abscheidevorrichtung. Erfindungsgemäß weist das Verfahren zusätzlich die folgenden Schritte auf:
- d) Oxidieren der reduzierenden Bestandteile des aus der Abscheidevorrichtung kommenden Gases in einer thermischen Behandlungszone ,
- e) Zuführen des aus der thermischen Behandlungszone austretenden Gases in den Vorwärmer.
- a) preheating a mineral material in a preheater,
- b) Thermal treatment of the mineral material in an entrained flow reactor in a reducing atmosphere,
- c) Separating the solid-gas mixture which comes from the entrained flow reactor in a separation device. According to the invention, the method also has the following steps:
- d) oxidizing the reducing constituents of the gas coming from the separation device in a thermal treatment zone,
- e) Feeding the gas emerging from the thermal treatment zone into the preheater.
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass die durch die Oxidation der reduzierenden Bestandteile des Gasstromes gewonnene Energie direkt und unmittelbar im Vorwärmer an das Rohmaterial abgegeben wird und somit vollständig im Prozess verwendet wird.The advantage of the method according to the invention is that the energy obtained through the oxidation of the reducing constituents of the gas stream is released directly and immediately in the preheater to the raw material and is thus used entirely in the process.
Die reduzierende Atmosphäre in Schritt b) weist beispielsweise und bevorzugt als reduzierende Komponente Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H2), Kohlenstoff und/oder Kohlenwasserstoffe auf. Üblicherweise weist die Atmosphäre auch Inertgas, insbesondere Stickstoff (N2) und Kohlendioxid (CO2) auf. Die reduzierenden Komponenten dienen insbesondere dazu, farbgebende Metallverbindungen im mineralischen Feststoff auf eine geringe Oxidationsstufe zu reduzieren und so die Farbgebung zu optimieren.The reducing atmosphere in step b) has, for example and preferably, carbon monoxide (CO), hydrogen (H2), carbon and / or hydrocarbons as the reducing component. The atmosphere usually also contains inert gas, in particular nitrogen (N 2 ) and carbon dioxide (CO 2 ). The reducing components serve in particular to reduce coloring metal compounds in the mineral solid to a low oxidation level and thus to optimize the coloring.
Das Trennen des Feststoff-Gas-Gemisches, welches aus dem Flugstromreaktor kommt, erfolgt bevorzugt in einer Abscheidevorrichtung, welche als Zyklonabscheider ausgebildet ist.The separation of the solid-gas mixture that comes from the entrained flow reactor is preferably carried out in a separation device which is designed as a cyclone separator.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Oxidieren in Schritt d) bei einer Temperatur von 700 °C bis 1.000 °C und über einen Zeitraum von 1 s bis 10 s.In a further embodiment of the invention, the oxidation in step d) takes place at a temperature of 700 ° C. to 1,000 ° C. and over a period of 1 s to 10 s.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird in Schritt d) ein Brennstoff dem Gas zugeführt. Die Art des Brennstoffs kann unterschiedlich sein. Als Brennstoff können feste Brennstoffe, flüssige Brennstoffe sowie gasförmige Brennstoffe verwendet werden. Beispiel für einen gasförmigen Brennstoff ist Erdgas, Beispiel für einen flüssigen Brennstoff ist Öl und Beispiel für einen festen Brennstoff ist Kohlenstaub.In a further embodiment of the invention, a fuel is fed to the gas in step d). The type of fuel can be different. Solid fuels, liquid fuels and gaseous fuels can be used as fuel. An example of a gaseous fuel is natural gas, an example of a liquid fuel is oil, and an example of a solid fuel is pulverized coal.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird in Schritt d) Sauerstoff dem Gas zugeführt. Der Sauerstoff kann in Form von reinen Sauerstoff zugeführt werden, dieses wird jedoch aus Kostengründen meistens vermieden. Der Sauerstoff kann in Form von Luft zugeführt werden. Als weiterer Sauerstoffquelle kann auch Abgas verwendet werden welches zwar einen reduzierten Sauerstoffgehalt aufweist, dafür aber bereits erwärmt ist. Diese Gaszuführung kann unter erhöhtem Druck erfolgen.In a further embodiment of the invention, oxygen is fed to the gas in step d). The oxygen can be supplied in the form of pure oxygen, but this is usually avoided for reasons of cost. The oxygen can be supplied in the form of air. Exhaust gas can also be used as a further source of oxygen, although it has a reduced oxygen content, but is already heated. This gas supply can take place under increased pressure.
Nachfolgend ist die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
-
1 schematische Ansicht der Vorrichtung
-
1 schematic view of the device
In
Am Anfang wird das Rohmaterial
Der Gasstrom
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- FlugstromreaktorEntrained flow reactor
- 2020th
- AbscheidevorrichtungSeparation device
- 3030th
- thermische Behandlungszonethermal treatment zone
- 4040
- erster Vorwärmzyklonfirst preheating cyclone
- 5050
- zweiter Vorwärmzyklonsecond preheating cyclone
- 6060
- Kühlercooler
- 100100
- RohmaterialRaw material
- 110110
- erste Vorwärmstufefirst preheating stage
- 120120
- vorgewärmtes Rohmaterialpreheated raw material
- 130130
- zweite Vorwärmstufesecond preheating stage
- 140140
- erwärmtes Rohmaterialheated raw material
- 150150
- heißes Produkthot product
- 160160
- Produktproduct
- 200200
- GasstromGas flow
- 210210
- BrenngaseFuel gases
- 220220
- leicht abgekühlter Gasstromslightly cooled gas flow
- 230230
- abgekühlter Gasstromcooled gas flow
- 300300
- ReduktionsmittelzuführungReducing agent supply
- 310310
- Brennstofffuel
- 320320
- Sauerstoffoxygen
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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