DE102021203071A1 - Device and method for the thermal treatment of a mineral starting material - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung eines mineralischen Edukts, wobei die Vorrichtung einen Calcinator (110) aufweist, wobei der Calcinator (110) wenigstens einen ersten Calcinatorabschnitt (10) und einen zweiten Calcinatorabschnitt (20) aufweist, wobei der erste Calcinatorabschnitt (10) senkrecht angeordnet ist, wobei der zweite Calcinatorabschnitt (20) schräg angeordnet ist, wobei der zweite Calcinatorabschnitt (20) einen Winkel α zwischen der Horizontalen und der Strömungsrichtung des zweiten Calcinatorabschnitts (20) aufweist, wobei der Winkel α zwischen 20 ° und 80 ° liegt, wobei der erste Calcinatorabschnitt (10) einen ersten hydraulischen Durchmesser dh,1aufweist, wobei der zweite Calcinatorabschnitt (20) einen zweiten hydraulischen Durchmesser dh,2aufweist, wobei der zweite hydraulische Durchmesser dh,2kleiner oder gleich dem ersten hydraulischen Durchmesser dh,1multipliziert mit dem Sinus des Winkels α ist.The present invention relates to a device for the thermal treatment of a mineral starting material, the device having a calciner (110), the calciner (110) having at least a first calciner section (10) and a second calciner section (20), the first calciner section ( 10) is arranged vertically, the second calciner section (20) being arranged obliquely, the second calciner section (20) having an angle α between the horizontal and the direction of flow of the second calciner section (20), the angle α being between 20° and 80° °, the first calciner section (10) having a first hydraulic diameter dh,1, the second calciner section (20) having a second hydraulic diameter dh,2, the second hydraulic diameter dh,2 being less than or equal to the first hydraulic diameter dh,1 multiplied with the sine of the angle α.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur thermischen Behandlung von mineralischen Edukten, insbesondere zur Herstellung von Zementklinker.The invention relates to a device and a method for the thermal treatment of mineral starting materials, in particular for the production of cement clinker.
Eine Anlage zur Klinkerherstellung weist beispielsweise einen Drehrohrofen, einen Calcinator und einen Vorwärmer auf. Während der Materialstrom des Feststoffes, am Anfang kalkhaltige Rohmehlmischung am Ende Zementklinker, vom Vorwärmer über den Calcinator in den Drehrohrofen und meist anschließend in einen Kühler verläuft, strömt das Gas entgegengesetzt vom Drehrohrofen zum Calcinator und von dort in den Vorwärmer. Während im Drehrohrofen der Materialstrom des Klinkers und der Gasstrom gegenläufig sind, werden im Calcinator und im Vorwärmer der Gasstrom und der Materialstrom jeweils streckenweise im Gleichstrom geführt und anschließend in einem Zyklon getrennt. Wird das feste Material im Gleichstrom geführt, muss der Gasstrom in der Lage sein, das Material auch zu tragen, ohne dass das Material ausfällt, sedimentiert oder sich in anderer Art niederschlägt.A plant for clinker production has, for example, a rotary kiln, a calciner and a preheater. While the material flow of the solids, initially a calcareous raw meal mixture and finally cement clinker, runs from the preheater via the calciner into the rotary kiln and usually then into a cooler, the gas flows in the opposite direction from the rotary kiln to the calciner and from there into the preheater. While in the rotary kiln the material flow of the clinker and the gas flow are in opposite directions, in the calciner and in the preheater the gas flow and the material flow are partially guided in parallel and then separated in a cyclone. If the solid material is guided in cocurrent, the gas flow must also be able to carry the material without the material precipitating, sedimenting or precipitating in any other way.
Im Calcinator wird auf der einen Seite durch die Verbrennung von Brennstoff Energie in Form von Wärme erzeugt, die auf der anderen Seite durch die endotherme Entsäuerungsreaktion des Edukts, also unter Abgabe von CO2, verbraucht wird. Es ist daher zielführend, Brennstoff und Edukt ortsnah zueinander in den Calcinator einzubringen, wodurch auch Bereiche mit erhöhten Temperaturen vermieden werden.In the calciner, on the one hand, energy is generated in the form of heat by burning fuel, which on the other hand is consumed by the endothermic deacidification reaction of the starting material, ie with the release of CO 2 . It is therefore expedient to bring fuel and educt close to each other in the calciner, which also avoids areas with elevated temperatures.
Als Brennstoff werden üblicherweise flugfähige Brennstoffe, beispielsweise Kohlenstaub, eingesetzt. Es wird jedoch zunehmend wichtig, Ersatzbrennstoffe einzusetzen beziehungsweise deren Anteil zu erhöhen, um beispielsweise die CO2-Bilanz des Gesamtprozesses zu optimieren und auch um kostengünstigere Brennstoffe einsetzen zu können. Hierdurch ist auch eine verbesserte Einbindung der Zementindustrie in die Kreislaufwirtschaft erzielbar. Diese sind jedoch aufgrund ihrer Größenverteilung nicht in allen Fällen flugfähig, beziehungsweise die für die Zerkleinerung zur Herstellung der Flugfähigkeit übersteigt das wirtschaftlich sinnvolle Maß. Um auch die nicht flugfähigen Ersatzbrennstoffe einsetzen zu können, werden derzeit entsprechende Brennkammern seitlich an den Calcinator angesetzt. Ist die Brennkammer beispielsweise seitlich am Calcinator angeordnet ohne dass dort auch Edukt aufgegeben wird, so sind der Ort der Energieerzeugung durch Verbrennung und der Ort des Energieverbrauchs durch Entsäuerung räumlich getrennt.Usually airworthy fuels, for example pulverized coal, are used as the fuel. However, it is becoming increasingly important to use substitute fuels or to increase their proportion, for example in order to optimize the CO 2 balance of the overall process and also to be able to use cheaper fuels. This also makes it possible to improve the integration of the cement industry into the circular economy. However, due to their size distribution, these are not always airworthy, or the size required for comminution to make them airworthy exceeds what is economically reasonable. In order to also be able to use the substitute fuels that are not airworthy, corresponding combustion chambers are currently attached to the side of the calciner. If the combustion chamber is arranged on the side of the calciner, for example, without educt also being fed in there, then the place where energy is generated by combustion and the place where energy is consumed by deacidification are spatially separated.
Aus der
Aus der
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, bei dem auch ein sehr grober Brennstoff direkt im Calcinator verbrannt werden kann.The object of the invention is to provide a device and a method in which even a very coarse fuel can be burned directly in the calciner.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Vorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch das Verfahren mit den in Anspruch 12 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.This object is achieved by the device having the features specified in claim 1 and by the method having the features specified in
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur thermischen Behandlung eines mineralischen Edukts. Bevorzugt handelt es sich um eine Vorrichtung zur Herstellung von Zementklinker. Es kann die Vorrichtung aber auch für die thermische Behandlung von Tonen oder beispielsweise von Lithium-Erzen genutzt werden. Im Folgenden wird die Herstellung von Zementklinker als Beispiel verwendet. Die Vorrichtung weist einen Calcinator auf. Üblicherweise weist die Vorrichtung weiter einen Drehofen auf. Dieser liegt bezüglich des Materialstroms (Edukt zu Produkt) hinter dem Calcinator und bezüglich des Gasstromes vor dem Calcinator. Der Drehofen kann aber auch bei anderen thermischen Behandlungen entfallen und sich beispielsweise ein Kühler direkt an den Calcinator anschließen. Üblicherweise weist die Vorrichtung weiter einen Vorwärmer auf. Der Vorwärmer liegt bezüglich des Materialstroms (Edukt zu Produkt) vor dem Calcinator und bezüglich des Gasstromes hinter dem Calcinator. Der Vorwärmer besteht beispielsweise aus einigen in Reihe geschalteten Gleichstromwärmetauschern mit nachgelagerten Abscheidezyklonen. Der Calcinator weist wenigstens einen ersten Calcinatorabschnitt und einen zweiten Calcinatorabschnitt auf. Der erste Calcinatorabschnitt ist senkrecht angeordnet und der zweite Calcinatorabschnitt ist schräg angeordnet. Schräg bedeutet, dass der Gasstrom durch den zweiten Calcinatorabschnitt nicht parallel zur Erdoberfläche noch im 90 ° Winkel zur Erdoberfläche strömt. Der zweite Calcinatorabschnitt weist einen Winkel α zwischen der Horizontalen und der Strömungsrichtung des zweiten Calcinatorabschnitts auf. Die Horizontale ist parallel zur Erdoberfläche. Der Winkel α liegt zwischen 20 ° und 80 °. Der erste Calcinatorabschnitt weist einen ersten hydraulischen Durchmesser dh,1 auf und der zweite Calcinatorabschnitt weist einen zweiten hydraulischen Durchmesser dh,2 auf. Der zweite hydraulische Durchmesser dh,2 ist kleiner oder gleich dem ersten hydraulischen Durchmesser dh,1 multipliziert mit dem Sinus des Winkels α.
Der hydrodynamische Durchmesser dh ist das Vierfache des Quotienten aus der durchströmten Fläche A quer zur Strömungsrichtung geteilt durch den durchströmten Umfang P.
Betrachtet man einen rohrförmigen vollständig von Gas durchströmten Körper, beispielsweise einen rohrförmigen ersten Calcinatorabschnitt mit dem Radius r, so ist die durchströmte Fläche ARohr gleich dem kreisförmigen Querschnitt ARohr = π·r2 und der durchströmte Umfang PRohr gleich dem Kreisumfang PRohr = 2·π·r. Somit ist der hydrodynamische Durchmesser eines Rohres dh,Rohr = 2·r und damit der Durchmesser des Rohres. Für andere Geometrien ergibt sich analog eine charakteristische Länge.If one considers a tubular body through which gas flows completely, for example a tubular first calciner section with the radius r, the flow-through area A Rohr is equal to the circular cross-section A Rohr = π r 2 and the flow-through circumference P Rohr equals the circumference P Rohr = 2 π r. Thus the hydrodynamic diameter of a tube is dh,tube = 2*r and thus the diameter of the tube. A characteristic length results analogously for other geometries.
Bei der Betrachtung des zweiten hydraulischen Durchmesser dh,2 ist darauf zu achten, dass bei der vorgesehenen Verwendung eines festen Brennstoffes dieser ein festes Bett innerhalb des zweiten Calcinatorabschnitts ergibt, was wiederrum dazu führt, dass bei regulärem Betrieb nicht die gesamte Querschnittsfläche des zweiten Calcinatorabschnitts dem Gasstrom zur Verfügung steht, sondern nur der um das Bett des festen Brennstoffs verminderte Querschnitt. Unter festen Bett sind im Sinne der Erfindung alle Arten von Schichten aus festem Material zu verstehen, umfassend Haufwerk oder Schüttschichten. When considering the second hydraulic diameter d h,2 it should be noted that if a solid fuel is used, this results in a fixed bed within the second calciner section, which in turn means that during regular operation the entire cross-sectional area of the second calciner section is not used available to the gas flow, but only the cross-section reduced by the bed of solid fuel. For the purposes of the invention, a fixed bed is to be understood as meaning all types of layers of solid material, including piles or loose layers.
Ebenso ist der durchströmte Umfang P nicht der Umfang des zweiten Calcinatorabschnitts, sondern der durch das Bett des Brennstoffes und den oberen Teil des zweiten Calcinatorabschnitts vom Gasstrom durchströmte Umfang P. Wird jedoch ein flüssiger Brennstoff verwendet, beispielsweise hochviskose Ölrückstände, so kann dessen Schichtdicke unter Umständen vernachlässigbar sein, sodass in diesem Fall auf die Geometrie des zweiten Calcinatorabschnitts in ausreichender Näherung herangezogen werden kann.Likewise, the perimeter P flown through is not the perimeter of the second calciner section, but the perimeter P through which the gas stream flows through the bed of fuel and the upper part of the second calciner section be negligible, so that in this case the geometry of the second calciner section can be used in a sufficient approximation.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass durch die Anpassung des Querschnittes in Abhängigkeit des Winkels α des zweiten Calcinatorabschnittes die Strömungsgeschwindigkeit entlang der Strömungsrichtung so erhöht wird, dass die Geschwindigkeitskomponente in z-Richtung, also senkrecht zur Erdoberfläche wenigstens gleich groß mit der Strömungsgeschwindigkeit im senkrechten ersten Calcinatorabschnitt ist. Damit ist die Tragfähigkeit des Gasstromes für das Edukt in beiden Calcinatorabschnitten wenigstens gleich groß und ein Abscheiden des Edukts aus dem Gasstrom kann vermieden werden.The advantage of the device according to the invention is that by adapting the cross section as a function of the angle α of the second calciner section, the flow velocity along the flow direction is increased in such a way that the velocity component in the z-direction, i.e. perpendicular to the earth's surface, is at least equal to the flow velocity in the vertical first calciner section. The carrying capacity of the gas flow for the educt in both calciner sections is at least the same and separation of the educt from the gas flow can be avoided.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind der erste Calcinatorabschnitt und der zweite Calcinatorabschnitt dazu ausgebildet, von einem Gasstrom von unten nach oben durchströmt zu werden.In a further embodiment of the invention, the first calciner section and the second calciner section are designed so that a gas flow flows through them from bottom to top.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der erste Calcinatorabschnitt unterhalb des zweiten Calcinatorabschnitts angeordnet. Bevorzugt ist der erste Calcinatorabschnitt direkt angrenzend an den zweiten Calcinatorabschnitt angeordnet.In a further embodiment of the invention, the first calciner section is arranged below the second calciner section. The first calciner section is preferably arranged directly adjacent to the second calciner section.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung einen dritten Calcinatorabschnitt auf. Der dritte Calcinatorabschnitt ist senkrecht angeordnet. Der dritte Calcinatorabschnitt ist oberhalb des zweiten Calcinatorabschnittes angeordnet. Bevorzugt ist der zweite Calcinatorabschnitt direkt angrenzend an den dritten Calcinatorabschnitt angeordnet.In a further embodiment of the invention, the device has a third calciner section. The third calciner section is arranged vertically. The third calciner section is located above the second calciner section. The second calciner section is preferably arranged directly adjacent to the third calciner section.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der zweite Calcinatorabschnitt eine erste zweite Eduktzuführung auf. Die erste zweite Eduktzuführung ist in den unteren 20 % des zweiten Calcinatorabschnitts angeordnet ist, also am Eintritt des Gasstromes. Die erste zweite Eduktzuführung führt das Edukt von oben in den Gasstrom des zweiten Calcinatorabschnitts oder seitlich in den Gasstrom des zweiten Calcinatorabschnitts zu. Edukt für den Calcinator ist insbesondere das in einem Vorwärmer vorgewärmte thermisch zu behandelnde Material, beispielsweise und vorzugsweise ein Mehl zur Klinkerherstellung. Dieses soll auch umfassen, dass die erste zweite Eduktzuführung im ersten Calcinatorabschnitt unmittelbar vor dem zweiten Calcinatorabschnitt angeordnet ist.In a further embodiment of the invention, the second calciner section has a first, second reactant feed. The first second educt feed is arranged in the lower 20% of the second calciner section, ie at the inlet of the gas stream. The first second educt supply feeds the educt from above into the gas flow of the second calciner section or laterally into the gas flow of the second calciner section. Educt for the calciner is, in particular, the material to be thermally treated, preheated in a preheater, for example and preferably flour for clinker production. This should also include that the first second educt feed is arranged in the first calciner section directly in front of the second calciner section.
Üblicherweise weist auch der erste Calcinatorabschnitt wenigstes eine erste erste Eduktzuführung auf. Das Edukt wird dem Calcinator üblicherweise und bevorzugt somit in Teilportionen zugeführt, um eine räumliche Verteilung der Decarbonatisierung über den gesamten Calcinator zu verteilen und so auch eine Verteilung des Energieverbrauchs über den Calcinator zu erzielen. Bei flugfähigen Brennstoffen erfolgt dieses räumlich benachbart. Somit wird über die erste erste Eduktzuführung eine erste Teilmenge Edukt zugeführt und über die erste zweiter Eduktzuführung eine zweite Teilmenge.Usually, the first calciner section also has at least one first reactant feed. The educt is usually and preferably fed to the calciner in partial portions in order to distribute the decarbonation spatially over the entire calciner and thus also to achieve a distribution of the energy consumption over the calciner. In the case of airworthy fuels, this occurs spatially adjacent. A first partial quantity of starting material is thus supplied via the first first starting material feed and a second partial quantity via the first second starting material feed.
Entsprechend kann in einem dritten Calcinatorabschnitt vorzugsweise wenigstens eine erste dritte Eduktzuführung angeordnet sein.Correspondingly, at least one first, third starting material feed can preferably be arranged in a third calciner section.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der zweite Calcinatorabschnitt zusätzlich eine zweite zweite Eduktzuführung auf. Die zweite zweite Eduktzuführung ist im mittleren Bereich des zweiten Calcinatorabschnitts angeordnet, wobei die zweite zweite Eduktzuführung Edukt von oben in den Gasstrom des zweiten Calcinatorabschnitts oder seitlich in den Gasstrom des zweiten Calcinatorabschnitts zuführt. Hierdurch wird das Edukt räumlich verteilter zugeführt, was auch dazu führt, dass der Energieverbrauch durch die Decarbonatisierung räumlich verteilter erfolgt und somit eine Vergleichmäßigung der Temperatur und damit der Reaktionsbedingungen erfolgt. Selbstverständlich kann der zweite Calcinatorabschnitt auch weitere zweite Eduktzuführungen aufweisen, um eine weitere Vergleichmäßigung zu erreichen. Bevorzugt erfolgt die Zuführung des Edukts über die erste zweite Eduktzuführung in konstanter Weise, die zweite zweite Eduktzuführung wird variabel verwendet, um insbesondere die zugeführte Menge an Edukt an die üblicherweise schwankende freigesetzte Energiemenge eines Ersatzbrennstoffes dynamisch anzupassen. Hierzu würde bei einem Ersatzbrennstoff mit geringerem Brennwert weniger Edukt über die zweite zweite Eduktzuführung zugeführt werden und bei einem Ersatzbrennstoff mit höherem Brennwert mehr Edukt über die zweite zweite Eduktzuführung zugeführt werden.In a further embodiment of the invention, the second calciner section additionally has a second second starting material feed. The second second educt feed is arranged in the central area of the second calciner section, the second second educt feed feeding educt from above into the gas flow of the second calciner section or laterally into the gas flow of the second calciner section. As a result, the starting material is supplied in a more spatially distributed manner, which also means that the energy consumption due to the decarbonation is more spatially distributed and the temperature and thus the reaction conditions are thus made more uniform. Of course, the second calciner section can also have further second reactant feeds in order to achieve further equalization. The reactant is preferably supplied via the first second reactant feed in a constant manner, the second second reactant feed is used variably in order in particular to dynamically adapt the amount of reactant supplied to the usually fluctuating amount of energy released from a substitute fuel. For this purpose, in the case of a substitute fuel with a lower calorific value, less educt would be fed in via the second second educt feed and in the case of a substitute fuel with a higher calorific value, more educt would be fed in via the second second educt feed.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der zweite Calcinatorabschnitt zusätzlich eine dritte zweite Eduktzuführung auf. Die dritte zweite Eduktzuführung ist in den oberen 20 % des zweiten Calcinatorabschnitts angeordnet, wobei die dritte zweite Eduktzuführung Edukt von oben in den Gasstrom des zweiten Calcinatorabschnitts oder seitlich in den Gasstrom des zweiten Calcinatorabschnitts zuführt. Hierdurch wird das Edukt räumlich verteilter zugeführt, was auch dazu führt, dass der Energieverbrauch durch die Decarbonatisierung räumlich verteilter erfolgt und somit eine Vergleichmäßigung der Temperatur und damit der Reaktionsbedingungen erfolgt. Selbstverständlich kann der zweite Calcinatorabschnitt auch weitere zweite Eduktzuführungen aufweisen, um eine weitere Vergleichmäßigung zu erreichen.In a further embodiment of the invention, the second calciner section additionally has a third, second reactant feed. The third, second educt feed is arranged in the upper 20% of the second calciner section, with the third, second educt feed feeding educt from above into the gas flow of the second calciner section or laterally into the gas flow of the second calciner section. As a result, the starting material is supplied in a more spatially distributed manner, which also means that the energy consumption due to the decarbonation is more spatially distributed and the temperature and thus the reaction conditions are thus made more uniform. Of course, the second calciner section can also have further second reactant feeds in order to achieve further equalization.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist am oberen Ende des zweiten Calcinatorabschnitts eine zweite Brennstoffzufuhr für einen festen Brennstoff angeordnet. Beispielsweise und bevorzugt kann ein Ersatzbrennstoff über die zweite Brennstoffzufuhr zugeführt werden. Beispiele für Ersatzbrennstoffe sind Abfälle aus Haushalten, Industrie oder Gewerbe, Altreifen, Klärschlamm und Biomasse. Der Heizwert von Ersatzbrennstoffen kann sehr unterschiedlich sein. Ersatzbrennstoffe können daher auch als Mischung unterschiedlicher Fraktionen eingebracht werden, um einen gewissen Brennwert zu erreichen. Da die Fraktionen mit einem geringeren Brennwert und gröberer Größenverteilung meist günstiger sind, wird hierdurch auch eine Kostenoptimierung erreicht. Durch die Schrägung des zweiten Calcinatorabschnittes ist es möglich, somit auch nicht flugfähige Ersatzbrennstoff direkt in einem Calcinator in unmittelbarer Nähe zur chemischen Reaktion des Edukts zum Produkt zu verbrennen und die Energie damit ortsnah zu deren Umsetzung bereit zu stellen. Um bestimmte Ersatzbrennstoffe besser verbrennen zu können, kann die untere Seite des zweiten Calcinatorabschnitts stufenförmig ausgebildet sein oder die untere Seite des zweiten Calcinatorabschnitts kann einen Vor- oder Rückschubrost aufweisen, wobei auch ein Vor- oder Rückschubrost stufenförmig ausgebildet sein kann. Die untere Seite ist im Sinne der Erfindung der Boden, der Bereich, auf dem ein Feststoff durch die Schwerkraft entlangrutschen würde. Analog wären die obere Seite und die seitlichen Seiten dann der Teil, der den Gasstrom nach oben beziehungsweise seitlich begrenzt.In a further embodiment of the invention, a second fuel supply for a solid fuel is arranged at the upper end of the second calciner section. For example and preferably, a substitute fuel can be supplied via the second fuel supply. Examples of alternative fuels are household, industrial or commercial waste, used tires, sewage sludge and biomass. The calorific value of alternative fuels can vary greatly. Substitute fuels can therefore also be introduced as a mixture of different fractions in order to achieve a certain calorific value. Since the fractions with a lower calorific value and coarser size distribution are usually cheaper, this also results in cost optimization. Due to the slanting of the second calciner section, it is also possible to burn refuse-derived fuel that is not airworthy directly in a calciner in the immediate vicinity of the chemical reaction of the educt to the product and thus to provide the energy locally for its conversion. In order to be able to burn certain refuse-derived fuels better, the lower side of the second calciner section can be designed in a stepped manner or the lower side of the second calciner section can have a forward or backward thrust grate, in which case a forward or backward thrust grate can also be designed in a stepped manner. In the context of the invention, the lower side is the bottom, the area on which a solid would slide along due to gravity. Analogously, the upper side and the lateral sides would then be the part that delimits the gas flow upwards or laterally.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der zweite Calcinatorabschnitt einen Winkel α zwischen der Horizontalen und der Strömungsrichtung des zweiten Calcinatorabschnitts auf, wobei der Winkel α zwischen 30 ° und 70 °, bevorzugt zwischen 35 ° und 60 °, weiter bevorzugt zwischen 40 ° und 55 °, besonders bevorzugt zwischen 40 ° und 50 °, liegt. Hier ist ein Optimum zu wählen. Je steiler der zweite Calcinatorabschnitt ist, um so größer ist die Geschwindigkeitskomponente des Gasstromes in z-Richtung und um so leichter verbleiben die Partikel im Gasstrom. Auf der Gegenseite ist ein flacher Aufbau gerade für Ersatzbrennstoffe mit grober Größenverteilung und/oder hohem Feuchtigkeitsanteil vorteilhaft.In a further embodiment of the invention, the second calciner section has an angle α between the horizontal and the flow direction of the second calciner section, the angle α being between 30° and 70°, preferably between 35° and 60°, more preferably between 40° and 55° °, particularly preferably between 40 ° and 50 °. Here is an optimum to choose. The steeper the second calciner section, the greater the velocity component of the gas flow in the z-direction and the easier it is for the particles to remain in the gas flow. On the other hand, a flat structure is particularly advantageous for refuse derived fuels with a coarse size distribution and/or high moisture content.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der zweite Calcinatorabschnitt unterhalb des ersten Calcinatorabschnitts angeordnet und parallel zum zweiten Calcinatorabschnitt ist ein regelbarer Bypass angeordnet. Beispielsweise kann auch das untere Ende des zweiten Calcinatorabschnitts in eine Flucht mit dem ersten Calcinatorabschnitt liegen. In diesem Fall sind das obere Ende des zweiten Calcinatorabschnitts und das untere Ende des ersten Calcinatorabschnitts beispielsweise durch ein waagerechtes Verbindungsstück miteinander verbunden, wobei der regelbare Bypass dann direkt senkrecht unter dem ersten Calcinatorabschnitt angeordnet ist.In a further embodiment of the invention, the second calciner section is arranged below the first calciner section and a controllable bypass is arranged parallel to the second calciner section. For example, the lower end of the second calciner section can also be aligned with the first calciner section. In this case, the upper end of the second calciner section and the lower end of the first calciner section are connected to one another, for example by a horizontal connecting piece, the controllable bypass then being arranged directly vertically below the first calciner section.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur thermischen Behandlung eines mineralischen Edukts. Bevorzugt handelt es sich um ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Herstellung von Zementklinker. Es kann die Vorrichtung aber auch für die thermische Behandlung von Tonen oder beispielsweise von Lithium-Erzen genutzt werden. Im Folgenden wird die Herstellung von Zementklinker als Beispiel verwendet. Das Verfahren wird in einer Vorrichtung mit einem Calcinator mit einem senkrechten ersten Calcinatorabschnitt und einem schrägen zweiten Calcinatorabschnitt durchgeführt. Vorzugsweise wird das Verfahren in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt. Während des Betreibens wird ein Gasstrom durch den ersten Calcinatorabschnitt und den zweiten Calcinatorabschnitt geführt. Beispielsweise und bevorzug stammt der Gasstrom aus einem Drehrohrofen. Beispielsweise und bevorzugt enthält der Gasstrom hauptsächlich Sauerstoff und dazu das im Drehrohrofen durch Verbrennung und die Restentsäuerung des Edukts (üblicher Weise um die 10 % der gesamten Entsäuerung) entstandenen CO2. Bevorzugt enthält der Gasstrom weniger als 20 Vol.-% Stickstoff, besonders bevorzugt weniger als 15 Vol.-% Stickstoff, bevorzugt etwa 50 bis 70 Vol.-% Sauerstoff. Die vorgenannten Werte beziehen sich auf trockenes Gas, also ohne Berücksichtigung des Wassers. Bevorzugt enthält damit der eintretende Gasstrom ausreichend Sauerstoff für die Verbrennung der in den Calcinator zugeführten Brennstoffe. Die Vorrichtung wird erfindungsgemäß so betrieben, dass die Froude-Zahl Fr an jeder Stelle des zweiten Calcinatorabschnitts gleich oder größer ist als das Minimum der Froude-Zahl Fr des ersten Calcinatorabschnittes ist. Die Froude-Zahl Fr ist die Geschwindigkeitskomponente des Gasstroms in vertikaler Richtung vz dividiert durch die Wurzel aus dem Produkt der Erdbeschleunigung g mit dem hydraulischen Durchmesser dh.
Der hydraulische Durchmesser ist das vierfache des Quotienten aus dem durchströmten Fläche A quer zur Strömungsrichtung geteilt durch den durchströmten Umfang P ist.The hydraulic diameter is four times the quotient of the area A through which flow occurs transverse to the direction of flow divided by the perimeter P through which flow occurs.
Während im senkrechten ersten Calcinatorabschnitt die Geschwindigkeitskomponente des Gasstroms in vertikaler Richtung vz gleich der Strömungsgeschwindigkeit des Gasstromes v ist, ist im schrägen zweiten Calcinatorabschnitt der Winkel α zu berücksichtigen. Die Geschwindigkeitskomponente des Gasstroms in vertikaler Richtung vz ist hier die Strömungsgeschwindigkeit des Gasstromes v multipliziert mit dem Sinus des Winkels a.
Hierbei ist jedoch zu berücksichtigen, dass die Strömungsgeschwindigkeit keine Konstante ist. Die Strömungsgeschwindigkeit wird innerhalb des Calcinators durch verschiedene Prozesse- verändert. Zum einen führen Temperaturunterschiede zu Unterschieden. In Bereichen mit höherer Temperatur möchte das Gas einen größeren Raum einnehmen, was zu einer Erhöhung der Geschwindigkeit v führt. Ebenso führt die Entsäuerung des Edukts zu einer Abgabe von CO2, was die Stoffmenge erhöht und somit auch zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit führt. Weiter kann auch aus dem Brennstoff eine Erhöhung der Stoffmenge resultieren, beispielsweise auf freigesetztem oder bei der Verbrennung entstehendem Wasser. Diese Effekte führen dazu, dass die Froude-Zahl bei einer konstanten Geometrie innerhalb eines Calcinatorabschnitts nicht konstant ist, sondern ortsabhängig verschieden ist.However, it should be noted that the flow rate is not a constant. The flow rate is changed within the calciner by various processes. For one thing, temperature differences lead to differences. In areas with higher temperature, the gas wants to take up more space, which leads to an increase in velocity v. Likewise, the deacidification of the educt leads to the release of CO 2 , which increases the amount of substance and thus also leads to an increase in the flow rate. Furthermore, the fuel can also result in an increase in the amount of substance, for example in the water released or formed during combustion. These effects mean that the Froude number is not constant with a constant geometry within a calciner section, but varies depending on the location.
Da die Froude-Zahl als Maß für die Tragfähigkeit des Gasstromes für das als Feststoff vorliegende Edukt zu betrachten ist, und die Tragfähigkeit im zweiten Calcinatorabschnitt wenigstens so hoch sein muss wie im ersten Calcinatorabschnitt, muss die Froude-Zahl im zweiten Calcinatorabschnitt überall größer sein als das Minimum der Froude-Zahl im ersten Calcinatorabschnitt. Hierbei ist jedoch zu berücksichtigen, dass durch den Neigungswinkel α nicht die ganze Strömungsgeschwindigkeit v, sondern nur deren z-Komponente vz, in die Berechnung eingeht und auch nur zur Tragfähigkeit beiträgt. Hierbei wird nur auf das Minimum im ersten Calcinatorabschnitt abgezielt, da auch an diesem Punkt die Tragfähigkeit ausreichend sein muss. Eine Erhöhung der Froude-Zahl, beispielsweise durch Freisetzung von CO2 bei der Entsäuerung wird lokal zu höheren Werten führen, wenn man von einer konstanten Geometrie innerhalb des ersten Calcinatorabschnitts ausgeht.Since the Froude number is to be regarded as a measure of the carrying capacity of the gas stream for the educt present as a solid, and the carrying capacity in the second calciner section must be at least as high as in the first calciner section, the Froude number in the second calciner section must be greater than everywhere the minimum of the Froude number in the first calciner section. However, it must be taken into account here that due to the angle of inclination α, not the entire flow velocity v but only its z-component v z is included in the calculation and only contributes to the load-bearing capacity. Here, only the minimum in the first calciner section is aimed at, since the load-bearing capacity must also be sufficient at this point. An increase in the Froude number, for example due to the release of CO 2 during deacidification, will lead to higher values locally, assuming a constant geometry within the first calciner section.
Besonders bevorzugt wird der Calcinator mit einer turbulenten Strömung betrieben. Hierdurch weist das Geschwindigkeitsprofil der Strömung nur geringe Schwankungen über die Breite der Strömung auf. Bei einer laminaren Durchströmung weist die Geschwindigkeit des Gasstromes eine Verteilung über die Breite auf, die am Rand null und in der Mitte ein Maximum aufweist. Hierdurch wäre die Tragfähigkeit ortsabhängig, was die Prozessführung kompliziert.The calciner is particularly preferably operated with a turbulent flow. As a result, the velocity profile of the flow shows only small fluctuations across the width of the flow. In the case of a laminar flow, the velocity of the gas flow shows a distribution over the width, which shows zero at the edge and a maximum in the middle. As a result, the load-bearing capacity would be location-dependent, which complicates the process control.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Calcinator mit einer Atmosphäre mit weniger als 25 % Stickstoff, bevorzugt mit weniger als 15 % Stickstoff, weiter bevorzugt mit weniger als 10 % Stickstoff, besonders bevorzugt mit weniger als 5 % Stickstoff betrieben.In another embodiment of the invention, the calciner is provided with an atmosphere containing less than 25% nitrogen, preferably less than 15% nitrogen, more preferably operated with less than 10% nitrogen, particularly preferably with less than 5% nitrogen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Froude-Zahl im zweiten Calcinatorabschnitt größer als 0,7, bevorzugt größer als 2, gewählt. Weiter wird die Froude-Zahl im zweiten Calcinatorabschnitt kleiner als 9, bevorzugt kleiner als 4, gewählt.In a further embodiment of the invention, the Froude number in the second calciner section is selected to be greater than 0.7, preferably greater than 2. Furthermore, the Froude number in the second calciner section is chosen to be less than 9, preferably less than 4.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird im zweiten Calcinatorabschnitt Edukt an wenigstens zwei Positionen über eine erste zweite Eduktzuführung und eine zweite zweite Eduktzuführung zugeführt. Dieses erfolgt entlang der Strömungsrichtung zueinander beabstandet. Hierdurch wird eine Vergleichmäßigung der Reaktion und damit des Energieverbrauchs und damit der Temperatur erreicht.In a further embodiment of the invention, in the second calciner section, educt is supplied at at least two positions via a first, second educt feed and a second, second educt feed. This takes place at a distance from one another along the direction of flow. This achieves an equalization of the reaction and thus of the energy consumption and thus of the temperature.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird im zweiten Calcinatorabschnitt ein fester Brennstoff zugeführt und verbrannt. Beispielsweise und bevorzugt kann ein Ersatzbrennstoff über die zweite Brennstoffzufuhr zugeführt werden. Beispiele für Ersatzbrennstoffe sind Abfälle aus Haushalten, Industrie oder Gewerbe, Altreifen, Klärschlamm und Biomasse. Der Heizwert von Ersatzbrennstoffen kann sehr unterschiedlich sein. Ersatzbrennstoffe können daher auch als Mischung unterschiedlicher Fraktionen eingebracht werden, um einen gewissen Brennwert zu erreichen. Da die Fraktionen mit einem geringeren Brennwert meist günstiger sind, wird hierdurch auch eine Kostenoptimierung erreicht. Durch die Schrägung des zweiten Calcinatorabschnittes ist es möglich, somit auch nicht flugfähige Ersatzbrennstoff direkt in einem Calcinator in unmittelbarer Nähe zur chemischen Reaktion des Edukts zum Produkt zu verbrennen und die Energie damit ortsnah zu deren Umsetzung bereit zu stellen. Um bestimmte Ersatzbrennstoffe besser verbrennen zu können, kann die untere Seite des zweiten Calcinatorabschnitts stufenförmig ausgebildet sein oder die untere Seite des zweiten Calcinatorabschnitts kann mittels eines Vor- oder Rückschubrost gefördert werden, wobei auch ein Vor- oder Rückschubrost stufenförmig ausgebildet sein kann.In a further embodiment of the invention, a solid fuel is supplied and burned in the second calciner section. For example and preferably, a substitute fuel can be supplied via the second fuel supply. Examples of alternative fuels are household, industrial or commercial waste, used tires, sewage sludge and biomass. The calorific value of alternative fuels can vary greatly. Substitute fuels can therefore also be introduced as a mixture of different fractions in order to achieve a certain calorific value. Since the fractions with a lower calorific value are usually cheaper, this also results in cost optimization. Due to the slanting of the second calciner section, it is also possible to burn refuse-derived fuel that is not airworthy directly in a calciner in the immediate vicinity of the chemical reaction of the educt to the product and thus to provide the energy locally for its conversion. In order to be able to burn certain refuse-derived fuels better, the lower side of the second calciner section can be stepped or the lower side of the second calciner section can be conveyed by means of a forward or reverse grate, with a forward or reverse grate also being able to be stepped.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird im zweiten Calcinatorabschnitt ein fester Brennstoff mit einer Stückgröße von wenigstens 90 % der Masse des Brennstoffes von mehr als 50 mm, bevorzugt mehr als 70 mm, besonders bevorzugt von 100 mm, zugeführt.In a further embodiment of the invention, a solid fuel with a piece size of at least 90% of the mass of the fuel of more than 50 mm, preferably more than 70 mm, particularly preferably 100 mm, is fed into the second calciner section.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird im ersten Calcinatorabschnitt ein flugfähiger Brennstoff zugeführt. Außerdem wird im ersten Calcinatorabschnitt über eine erste Eduktzuführung Edukt zugeführt. Bevorzugt werden Brennstoff und Edukt räumlich zueinander benachbart zugeführt, um Energieerzeugung und Energieverbrauch räumlich miteinander zu verbinden.In a further embodiment of the invention, an airworthy fuel is supplied in the first calciner section. In addition, educt is supplied in the first calciner section via a first educt feed. Fuel and starting material are preferably fed in spatially adjacent to one another in order to spatially combine energy production and energy consumption with one another.
Nachfolgend ist die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
-
1 Vorrichtung zur thermischen Behandlung eines mineralischen Edukts -
2 erster beispielhafter Calcinator -
3 zweiter beispielhafter Calcinator -
4 dritter beispielhafter Calcinator -
5 vierter beispielhafter Calcinator
-
1 Device for the thermal treatment of a mineral starting material -
2 first exemplary calciner -
3 second exemplary calciner -
4 third exemplary calciner -
5 fourth exemplary calciner
Alle Darstellungen sind rein schematisch, nicht maßstabsgerecht und dienen nur zur Verdeutlichung der Erfindungsmerkmale.All representations are purely schematic, not true to scale and only serve to illustrate the features of the invention.
In
Daher tritt in den im Folgenden gezeigten vier beispielhaften Calcinatorausführungsformen der Gasstrom von unten aus dem Drehrohrofen 120 kommend ein und strömt nach oben. Der Calcinator 110 weist jeweils am oberen Ende wenigstens einen in den Ausführungsbeispielen nicht gezeigten Zyklonabscheider auf.Therefore, in the four exemplary calciner embodiments shown below, the gas stream enters the
Die Bezugszeichen werden für gleiche Elemente im Folgenden gleich verwendet und in der Beschreibung auf die Unterschiede der Ausführungsformen eingegangen.The reference symbols are used in the following for the same elements and the differences between the embodiments are discussed in the description.
Wie in
In der zweiten in
In der dritten in
Die vierte in
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- erster Calcinatorabschnittfirst calciner section
- 1212
- erste Brennstoffzufuhrfirst fuel supply
- 1414
- erste erste Eduktzuführungfirst first feed of educt
- 2020
- zweiter Calcinatorabschnittsecond calciner section
- 2121
- Stufenstages
- 2222
- zweite Brennstoffzufuhrsecond fuel supply
- 2424
- erste zweite Eduktzuführungfirst second feed of educt
- 2626
- zweite zweite Eduktzuführungsecond second educt feed
- 3030
- dritter Calcinatorabschnittthird calciner section
- 3232
- dritte Brennstoffzufuhrthird fuel supply
- 3434
- erste dritte Eduktzuführungfirst third feed of educt
- 4040
- Bypassbypass
- 4242
- Durchflussregelventilflow control valve
- 100100
- Vorwärmerpreheater
- 110110
- Calcinatorcalciner
- 120120
- Drehrohrofenrotary kiln
- 130130
- Kühlercooler
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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- DE 102018206674 A1 [0006]DE 102018206674 A1 [0006]
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