DE102021203072A1

DE102021203072A1 - Vorrichtung und Verfahren zur thermischen Behandlung eines mineralischen Edukts

Info

Publication number: DE102021203072A1
Application number: DE102021203072.6A
Authority: DE
Inventors: Eike Willms; Patrick Brunelot; Martin Uhde; Olaf Ontrup; Constantin Kimmig; Jost Lemke
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Current assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 2021-03-26
Filing date: 2021-03-26
Publication date: 2022-09-29

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.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur thermischen Behandlung von mineralischen Edukten, insbesondere zur Herstellung von Zementklinker.
Eine Anlage zu 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 dem 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.
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.
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 der Aufwand 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.
Aus der DE 10 2018 206 673 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Zementklinker mit erhöhtem Sauerstoffanteil bekannt.
Aus der DE 10 2018 206 674 A1 ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Zementklinker mit erhöhtem Sauerstoffanteil bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, bei dem auch ein sehr grober Brennstoff direkt im Calcinator verbrannt werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Vorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch das Verfahren mit den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
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 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 °.
Erfindungsgemäß ist der erste Calcinatorabschnitt strömungstechnisch vor dem zweiten Calcinatorabschnitt angeordnet. Weiter ist der Gasstrom im ersten Calcinatorabschnitt aufsteigend und im zweiten Calcinatorabschnitt absteigend. Die Strömungsrichtung des Gasstromes ergibt sich zwingend aus der Art, in der die Bauteile der Vorrichtung miteinander verbunden sind. Zwischen dem ersten Calcinatorabschnitt und dem zweiten Calcinatorabschnitt ist eine Umlenkung von mehr als 90 ° angeordnet.
Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es, dass der zweite Calcinatorabschnitt aufgrund der schrägen Form auch für die Einbringung eines festen Brennstoffes verwendet werden kann und somit nicht ausschließlich vergleichsweise teure flugfähige Brennstoff im Calcinator eingesetzt werden können. Gleichzeitig erfolgt die Verbrennung direkt im Calcinator und nicht nur in einer seitlich am Calcinator angeordneten Brennkammer. Durch die absteigende Form wird die Tragfähigkeit des Gasstromes für das feste Edukt weniger beeinflusst. Gleichzeitig wird durch die gleiche Förderrichtung eines Brennstoffes im zweiten Calcinatorabschnitts und des Gasstromes auch erreicht, dass eine einfachere örtliche Verknüpfung zwischen der Erzeugung der Energie durch Verbrennung und des Verbrauchs der Energie durch die thermische Behandlung des Edukts, beispielsweise der Entsäuerung unter CO₂-Abgabe, erreicht wird.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der erste Calcinatorabschnitt einen ersten hydraulischen Durchmesser d_h,1 auf und der zweite Calcinatorabschnitt weist einen zweiten hydraulischen Durchmesser d_h,2 auf. Der zweite hydraulische Durchmesser d_h,2 ist gleich dem ersten hydraulischen Durchmesser d_h,1 multipliziert mit dem Cosinus des Winkels α. $d_{h,2} = d_{h,1} \cdot c o s (α)$
Der hydrodynamische Durchmesser d_h ist das Vierfache des Quotienten aus der durchströmten Fläche A quer zur Strömungsrichtung geteilt durch den durchströmten Umfang P. $d_{h} = 4 \cdot \frac{A}{P}$
Betrachtet man einen rohrförmigen vollständig von Gas durchströmten Körper, beispielsweise einen rohrförmigen ersten Calcinatorabschnitt mit dem Radius r, so ist die durchströmte Fläche A_Rohr gleich dem kreisförmigen Querschnitt A_Rohr = π·r² und der durchströmte Umfang P_Rohr gleich dem Kreisumfang P_Rohr = 2·π·r. Somit ist der hydrodynamische Durchmesser eines Rohres d_h,Rohr = 2·r und damit der Durchmesser des Rohres. Für andere Geometrien ergibt sich analog eine charakteristische Länge.
Bei der Betrachtung des zweiten hydraulischen Durchmesser d_h,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. 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.
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 einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der zweite Calcinatorabschnitt eine erste zweite Eduktzuführung auf. Die erste zweite Eduktzuführung ist in den oberen 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.
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 zweite Eduktzuführung eine zweite Teilmenge.
Entsprechend kann in einem dritten Calcinatorabschnitt vorzugsweise wenigstens eine erste dritte Eduktzuführung angeordnet sein.
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 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 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 sind die obere Seite und die seitlichen Seiten dann der Teil, der den Gasstrom nach oben beziehungsweise seitlich begrenzt.
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.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das untere Ende des zweiten Calcinatorabschnitts fluchend über dem Materialeintrag der auf den Calcinator folgenden Verarbeitungsstufe, beispielsweise des Drehrohrofens, angeordnet. Weiter bevorzugt ist das untere Ende des zweiten Calcinatorabschnitts feststoffführend mit dem Materialeintrag der auf den Calcinator folgenden Verarbeitungsstufe, beispielsweise des Drehrohrofens, verbunden. Dieses dient dazu, Edukt (oder bereits entsäuertes Edukt), welches nach dem zweiten Calcinatorabschnitt sich abscheidet, direkt dorthin überführt werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das untere Ende des zweiten Calcinatorabschnitts über eine schräge feststoffführende Verbindung mit dem Materialeintrag der auf den Calcinator folgenden Verarbeitungsstufe, beispielsweise des Drehrohrofens, verbunden. Dieses dient dazu, Edukt (oder bereits entsäuertes Edukt), welches nach dem zweiten Calcinatorabschnitt sich abscheidet, direkt dorthin überführt werden kann.
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. Der erste Calcinatorabschnitt ist strömungstechnisch vor dem zweiten Calcinatorabschnitt angeordnet. Der Gasstrom ist im ersten Calcinatorabschnitt aufsteigend und im zweiten Calcinatorabschnitt absteigend. 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 an jeder Stelle des zweiten Calcinatorabschnitts gleich oder größer ist als das Minimum der Froude-Zahl des ersten Calcinatorabschnittes. Die Froude-Zahl Fr_CA1 für den ersten Calcinatorabschnitt CA1 ist die Geschwindigkeitskomponente v_z des Gasstroms in vertikaler Richtung dividiert durch die Wurzel aus dem Produkt der Erdbeschleunigung g mit dem hydraulischen Durchmesser d_h,CA1 des ersten Calcinatorabschnitts CA1. $F r_{C A 1} = \frac{v_{z}}{\sqrt{g \cdot d_{h, C A 1}}}$
Da im senkrechten ersten Calcinatorabschnitt die Gasströmung nur senkrecht verläuft, ist somit in z-Richtung die Geschwindigkeitskomponente v_z des Gasstroms in vertikaler Richtung gleich der Strömungsgeschwindigkeit v des Gasstroms v_z = v. Somit ergibt sich: $F r_{C A 1} = \frac{v}{\sqrt{g \cdot d_{h, C A 1}}}$
Die Froude-Zahl Fr_CA2 für den zweiten Calcinatorabschnitt CA2 ist die Geschwindigkeitskomponente des Gasstroms in horizontaler Richtung dividiert durch die Wurzel aus dem Produkt der Erdbeschleunigung g mit dem hydraulischen Durchmesser d_h,CA2 des zweiten Calcinatorabschnitts CA2. $F r_{C A 2} = \frac{v_{h}}{\sqrt{g \cdot d_{h, C A 2}}}$
Der hydraulische Durchmesser ist das vierfache des Quotienten aus dem durchströmten Fläche quer zur Strömungsrichtung geteilt durch den durchströmten Umfang ist. $d_{h} = 4 \cdot \frac{A}{P}$
Während im senkrechten ersten Calcinatorabschnitt die Geschwindigkeitskomponente des Gasstroms in vertikaler Richtung v_z gleich der Strömungsgeschwindigkeit des Gasstromes v ist, ist im schrägen zweiten Calcinatorabschnitt der Winkel α zu berücksichtigen. Die Geschwindigkeitskomponente des Gasstroms in horizontaler Richtung v_h ist hier die Strömungsgeschwindigkeit des Gasstromes v multipliziert mit dem Cosinus des Winkels α. $v_{h} = v \cdot c o s (α)$
Hierbei ist jedoch zu berücksichtigen, dass die Strömungsgeschwindigkeit keine Konstante ist. Die Strömungsgeschwindigkeit wird innerhalb des Calcinators durch verschiedene Prozessen 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.
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 horizontale Komponente V_h, 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.
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.
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 einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Froude-Zahl im zweiten Calcinatorabschnitt größer als 0,6, bevorzugt größer als 0,9, gewählt. Weiter wird die Froude-Zahl im zweiten Calcinatorabschnitt kleiner als 4, bevorzugt kleiner als 3, weiter bevorzugt kleiner als 2, besonders bevorzugt kleiner als 1,5, gewählt.
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 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 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 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.
Nachfolgend ist die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

1 Vorrichtung zur thermischen Behandlung eines mineralischen Edukts
2 beispielhafter Calcinator

Alle Darstellungen sind rein schematisch, nicht maßstabsgerecht und dienen nur zur Verdeutlichung der Erfindungsmerkmale.
In 1 ist eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung eines mineralischen Edukts, beispielsweise einer Anlage zur Herstellung von Zementklinker. Die Anlage weist einen Vorwärmer 100, einen Calcinator 110, einen Drehrohrofen 120 und einen Kühler 130 auf. Das Material, beispielsweise Rohmehl aus Kalkstein, wird oben aufgegeben, durchläuft die Anlage in der genannten Reihenfolge und kann dem Kühler 130 als Klinker entnommen werden. Der Gasstrom wird entgegen dem Materialstrom vom Drehrohrofen 120 in den Calcinator 110 geleitet und von dort in den Vorwärmer 100.
Daher tritt in den in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel des Calcinators 110 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 dem Ausführungsbeispiel nicht gezeigten Zyklonabscheider auf.
2 zeigt einen ersten Calcinatorabschnitt 10, in den der Gasstrom von unten eintritt. Oben wird der Gasstrom umgelenkt, im gezeigten Beispiel um 135 ° und tritt von oben in den absteigenden zweiten Calcinatorabschnitt 20 ein. Nach einer weiteren Umlenkung tritt der Gasstrom anschließend in den dritten Calcinatorabschnitt 30 ein und gelangt von dort in einen nicht gezeigten Zyklonabscheider. Bei der ersten Brennstoffzufuhr 12 im ersten Calcinatorabschnitt 10 und der dritten Brennstoffzufuhr 32 im dritten Calcinatorabschnitt 30 wird jeweils ein flugfähiger Brennstoff zugeführt, bei der zweiten Brennstoffzufuhr 22 im zweiten Calcinatorabschnitt 20 ein fester Brennstoff, bevorzugt ein Ersatzbrennstoff. Über die erste erste Eduktzuführung 12, die erste zweite Eduktzuführung 24 und die erste dritte Eduktzuführung 34 wird jeweils Edukt aus dem Vorwärmer 100 zugeführt. Hierdurch werden Brennstoff und Edukt räumlich benachbart zueinander eingebracht, was dazu führt, dass die durch die Verbrennung der Brennstoffe erzeugte Energie für die thermische Behandlung des Edukts, beispielsweise eine Entsäuerung, genutzt wird, wodurch eine annähernd gleiche Temperatur im Calcinator erzielt werden kann.
Bezugszeichenliste

10: erster Calcinatorabschnitt
12: erste Brennstoffzufuhr
14: erste erste Eduktzuführung
20: zweiter Calcinatorabschnitt
22: zweite Brennstoffzufuhr
24: erste zweite Eduktzuführung
30: dritter Calcinatorabschnitt
32: dritte Brennstoffzufuhr
34: erste dritte Eduktzuführung
100: Vorwärmer
110: Calcinator
120: Drehrohrofen
130: Kühler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018206673 A1 [0005]
DE 102018206674 A1 [0006]

Claims

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, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Calcinatorabschnitt (10) strömungstechnisch vor dem zweiten Calcinatorabschnitt (20) angeordnet ist, wobei der Gasstrom im ersten Calcinatorabschnitt (10) aufsteigend und im zweiten Calcinatorabschnitt (20) absteigend ist und zwischen dem ersten Calcinatorabschnitt (10) und dem zweiten Calcinatorabschnitt (20) eine Umlenkung von mehr als 90 ° angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Calcinatorabschnitt (10) einen ersten hydraulischen Durchmesser d_h,1 aufweist, wobei der zweite Calcinatorabschnitt (20) einen zweiten hydraulischen Durchmesser d_h,2 aufweist, wobei der zweite hydraulische Durchmesser d_h,2 gleich dem ersten hydraulischen Durchmesser d_h,1 multipliziert mit dem Cosinus des Winkels α ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen dritten Calcinatorabschnitt aufweist, wobei der dritte Calcinatorabschnitt senkrecht angeordnet ist, wobei der dritte Calcinatorabschnitt oberhalb des zweiten Calcinatorabschnittes (20) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Calcinatorabschnitt (20) eine erste zweite Eduktzuführung (24) aufweist, wobei die erste zweite Eduktzuführung (24) in den oberen 10 % des zweiten Calcinatorabschnitts (20) angeordnet ist, wobei die erste zweite Eduktzuführung (24) Edukt von oben in den Gasstrom des zweiten Calcinatorabschnitts (20) oder seitlich in den Gasstrom des zweiten Calcinatorabschnitts (20) zuführt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Calcinatorabschnitt (20) eine zweite zweite Eduktzuführung (26) aufweist, wobei die zweite zweite Eduktzuführung (26) im mittleren Bereich des zweiten Calcinatorabschnitts (20) angeordnet ist, wobei die zweite zweite Eduktzuführung (26) Edukt von oben in den Gasstrom des zweiten Calcinatorabschnitts (20) oder seitlich in den Gasstrom des zweiten Calcinatorabschnitts (20) zuführt.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am oberen Ende des zweiten Calcinatorabschnitts (20) eine zweite Brennstoffzufuhr (22) für einen festen Brennstoff angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Seite des zweiten Calcinatorabschnitts (20) stufenförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Seite des zweiten Calcinatorabschnitts (20) einen Vor- oder Rückschubrost aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Calcinatorabschnitt (20) einen Winkel α zwischen der Horizontalen und der Strömungsrichtung des zweiten Calcinatorabschnitts (20) aufweist, 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.
Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur thermischen Behandlung eines mineralischen Edukts, wobei das Verfahren in einer Vorrichtung mit einem Calcinator (110) mit einem senkrechten ersten Calcinatorabschnitt (10) und einem schrägen zweiten Calcinatorabschnitt (20) durchgeführt wird, bei der der erste Calcinatorabschnitt (10) strömungstechnisch vor dem zweiten Calcinatorabschnitt (20) angeordnet ist, wobei der Gasstrom im ersten Calcinatorabschnitt (10) aufsteigend und im zweiten Calcinatorabschnitt (20) absteigend ist, wobei während des Betreibens ein Gasstrom durch den ersten Calcinatorabschnitt (10) und den zweiten Calcinatorabschnitt (20) geführt wird, wobei die Vorrichtung so betrieben wird, dass die Froude-Zahl an jeder Stelle des zweiten Calcinatorabschnitts (20) gleich oder größer ist als das Minimum der Froude-Zahl des ersten Calcinatorabschnittes (10), wobei die Froude-Zahl für den ersten Calcinatorabschnitt (10) die Geschwindigkeitskomponente des Gasstroms in vertikaler Richtung dividiert durch die Wurzel aus dem Produkt der Erdbeschleunigung g mit dem hydraulischen Durchmesser ist, wobei die Froude-Zahl für den zweiten Calcinatorabschnitt (20) die Geschwindigkeitskomponente des Gasstroms in horizontaler Richtung dividiert durch die Wurzel aus dem Produkt der Erdbeschleunigung g mit dem hydraulischen Durchmesser ist, wobei der hydraulische Durchmesser des vierfache des Quotienten aus dem durchströmten Fläche quer zur Strömungsrichtung geteilt durch den durchströmten Umfang ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Calcinator (110) 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 wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Froude-Zahl im zweiten Calcinatorabschnitt (20) größer als 0,6, bevorzugt größer als 0,9, gewählt wird, wobei die Froude-Zahl im zweiten Calcinatorabschnitt (20) kleiner als4, bevorzugt kleiner als 3, gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Calcinatorabschnitt (20) Edukt an wenigstens zwei Positionen über eine erste zweite Eduktzuführung (24) und eine zweite zweite Eduktzuführung (26), welche entlang der Strömungsrichtung zueinander beabstandet sind, zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Calcinatorabschnitt (20) 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 wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Calcinatorabschnitt (10) ein flugfähiger Brennstoff zugeführt wird, wobei im ersten Calcinatorabschnitt (10) über eine erste erste Eduktzuführung (14) Edukt zugeführt wird.