DE102021203073A1

DE102021203073A1 - Vorrichtung und Verfahren zur thermischen Behandlung eines mineralischen Edukts

Info

Publication number: DE102021203073A1
Application number: DE102021203073.4A
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 ein 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, wobei die Vorrichtung einen Bypass 40 mit einem Durchflussregelventil 42 aufweist, wobei das Durchflussregelventil 42 so geregelt wird, dass die Druckdifferenz zwischen dem Gasstrom vor der Abzweigung des Bypass 40 und dem Druck im Calcinator 110 hinter der Zuführung des Bypass 40 gleich der Druckdifferenz zwischen den Druck im Bypass 40 hinter dem Durchflussregelventil 42 und dem Druck im Calcinator 110 hinter der Zuführung des Bypass 40 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 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.
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 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.
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 11 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 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 weitere 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 weist die Vorrichtung einen Bypass auf, wobei der Bypass ein Durchflussregelventil aufweist. Das Durchflussregelventil kann beispielsweise in Form einer verstellbaren (Ring-)Düse, eines oder mehrerer Schieberelemente, einer Irisblende oder einer Klappe ausgeführt sein. Der Bypass ist so mit dem Calcinator verbunden ist, dass der Bypass einen Teilstrom des in den Calcinator eintretenden Gasstroms hinter den zweiten Calcinatorabschnitt in den Calcinator leitet.
Durch den Bypass ist es möglich, zum einen die Sauerstoffkonzentration hinter dem zweiten Calcinatorabschnitt anzupassen, zum anderen auf Druckschwankungen, die insbesondere durch die Verbrennung von Ersatzbrennstoffen im schrägen zweiten Calcinatorabschnitt zurückzuführen sein können, zu reagieren.
Es gibt Vorrichtungen zur thermischen Behandlung eines mineralischen Produkts, bei denen gasströmungstechnisch vor dem Calcinator und bezogen auf den Edukt-ProduktStrom hinter dem Calcinator ein Drehrohrofen angeordnet ist. Dieses ist beispielsweise typisch für die Herstellung von Zementklinker. In diesem Fall geht der Bypass zwischen den Drehrohrofen und dem Calcinator ab.
Es gibt andere Vorrichtungen zur thermischen Behandlung eines mineralischen Produkts, bei denen gasströmungstechnisch vor dem Calcinator und bezogen auf den Edukt-Produkt-Strom hinter dem Calcinator ein Kühler angeordnet ist. Dieses kann beispielsweise bei der Herstellung spezieller Klinker aber auch bei der thermischen Behandlung von beispielsweise Lithium-Erzen der Fall sein. In diesem Fall geht der Bypass zwischen dem Kühler und dem Calcinator ab.
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 kleiner oder gleich dem ersten hydraulischen Durchmesser d_h,1 multipliziert mit dem Sinus des Winkels α. $d_{h,2} \leq d_{h,1} \cdot s i n (α)$
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.
Der Vorteil dieser Ausführungsform 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.
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. Weiter 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. Der Bypass ist zwischen den zweiten Calcinatorabschnitt und dem dritten Calcinatorabschnitt mit dem Calcinator verbunden. Dieses bedeutet, der Bypass mündet zwischen dem zweiten Calcinatorabschnitt und dem dritten Calcinatorabschnitt in den Calcinator, sodass das Gas durch den Bypass aus dem Bereich vor dem Calcinator durch den Bypass direkt vor und damit in den dritten Calcinatorabschnitt geführt wird.
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. Weiter weist die Vorrichtung einen dritten Calcinatorabschnitt auf. Der dritte Calcinatorabschnitt ist absteigend angeordnet. Der dritte Calcinatorabschnitt ist oberhalb des zweiten Calcinatorabschnittes angeordnet. Bevorzugt ist der zweite Calcinatorabschnitt direkt angrenzend an den dritten Calcinatorabschnitt angeordnet. Der Bypass ist zwischen den zweiten Calcinatorabschnitt und dem dritten Calcinatorabschnitt mit dem Calcinator verbunden. Dieses bedeutet, der Bypass mündet zwischen dem zweiten Calcinatorabschnitt und dem dritten Calcinatorabschnitt in den Calcinator, sodass das Gas durch den Bypass aus dem Bereich vor dem Calcinator durch den Bypass direkt vor und damit in den dritten Calcinatorabschnitt geführt wird.
Hierbei kann der zweite Calcinatorabschnitt entweder aufsteigend oder absteigend angeordnet sein. Ist der zweite Calcinatorabschnitt aufsteigend, so ist der Gasstrom stetig ansteigend. Ist der zweite Calcinatorabschnitt absteigend, so weist der Calcinator grob gesagt die Form eines N auf, bestehend aus einem ersten aufsteigenden geraden ersten Calcinatorabschnitt, einem absteigenden schrägen zweiten Calcinatorabschnitt und einem erneut gerade aufsteigenden dritten Calcinatorabschnitt. Während die erste Bauform mit weniger Grundfläche auskommt ist bei der zweiten Bauform die Bauhöhe deutlich geringer.
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. Dieses entspricht der vorgenannten ersten Bauform.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der erste Calcinatorabschnitt zur Durchströmung von einem Gasstrom von unten nach oben ausgebildet. Der zweite Calcinatorabschnitt ist dazu ausgebildet, von einem Gasstrom von oben nach unten durchströmt zu werden. Dieses entspricht der vorgenannten zweiten Bauform.
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.
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.
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 wäre 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 die Vorrichtung einen ersten Drucksensor auf, wobei der erste Drucksensor gasströmungstechnisch vor der Abzweigung des Bypasses angeordnet ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist im Bypass gasströmungstechnisch hinter dem Durchflussregelventil ein zweiter Drucksensor angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist im Calcinator hinter der Zuführung des Bypasses, bevorzugt hinter dem dritten Calcinatorabschnitt ein dritter Drucksensor angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist hinter dem Calcinator ein Gassensor angeordnet, wobei der Gassensor zur Erfassung des Sauerstoffgehalts und/oder des Kohlenmonoxidgehalts ausgebildet ist.
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 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.
Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung einen Bypass mit einem Durchflussregelventil auf, wobei das Durchflussregelventil so geregelt wird, dass die Druckdifferenz zwischen dem Gasstrom vor der Abzweigung des Bypasses und dem Druck im Calcinator hinter der Zuführung des Bypasses gleich der Druckdifferenz zwischen den Druck im Bypass hinter dem Durchflussregelventil und dem Druck im Calcinator vor der Abzweigung des Bypasses ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird während des Betreibens ein Gasstrom durch den ersten Calcinatorabschnitt und den zweiten Calcinatorabschnitt geführt. Beispielsweise und bevorzugt 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 v_z dividiert durch die Wurzel aus dem Produkt der Erdbeschleunigung g mit dem hydraulischen Durchmesser d_h. $F r = \frac{v_{z}}{\sqrt{g \cdot d_{h}}}$
mit: $d_{h} = 4 \cdot \frac{A}{P}$
Der hydraulische Durchmesser ist das vierfache des Quotienten aus dem durchströmten Fläche A quer zur Strömungsrichtung geteilt durch den durchströmten Umfang P ist.
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 vertikaler Richtung v_z ist hier die Strömungsgeschwindigkeit des Gasstromes v multipliziert mit dem Sinus des Winkels α. $v_{z} = v \cdot s i n (α)$
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.
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 v_z, 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. Die Stickstoffkonzentration ist am Calcinatoreingang am höchsten, da die Gasmenge, beispielsweise durch die Entsäuerung zunehmend ist und dadurch der prozentuale Anteil des Stickstoffs sinkt.
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 einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird zusätzlich der Sauerstoffgehalt und/oder der Kohlenmonoxidgehalt hinter dem Calcinator als Regelgröße für das Durchflussregelventil verwendet. In dieser Ausführungsform der Erfindung soll der Sauerstoffgehalt zwischen 0,5 Vol.-% und 5 Vol.-%, bevorzugt zwischen 2 Vol.-% und 3 Vol.-%, bezogen aus den nassen Gasstrom liegen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Druckdifferenz auf einen Wert von 3 · 10² bis 3 · 10³ Pa, bevorzugt 5 · 10² bis 1,5 · 10³ Pa, eingestellt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird zusätzlich der Sauerstoffgehalt und/oder der Kohlenmonoxidgehalt am Ausgang des zweiten Calcinatorabschnitts als Regelgröße für das Durchflussregelventil verwendet. In dieser Ausführungsform der Erfindung soll der Sauerstoffgehalt zwischen 0,5 Vol.-% und 15 Vol.-%, bevorzugt zwischen 2 Vol.-% und 3 Vol.-%, bezogen aus den nassen Gasstrom liegen.
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 erster beispielhafter Calcinator
3 zweiter beispielhafter Calcinator
4 dritter 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 im Folgenden gezeigten drei 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 ein in den Ausführungsbeispielen nicht gezeigten Zyklonabscheider auf.
Die Bezugszeichen werden für gleiche Elemente im Folgenden gleich verwendet und in der Beschreibung auf die Unterschiede der Ausführungsformen eingegangen.
2 zeigt einen ersten Calcinatorabschnitt 10, welcher senkrecht angeordnet ist, darüber einen zweiten Calcinatorabschnitt 20, welcher schräg in einem Winkel von 45 ° angeordnet ist und darüber einen dritten Calcinatorabschnitt 30, welcher senkrecht angeordnet ist. Der erste Calcinatorabschnitt 10 weist eine erste Brennstoffzufuhr 12 für einen flugfähigen Brennstoff, beispielsweise Kohlenstaub, sowie eine erste erste Eduktzuführung 14 auf, über welche Edukt aus dem Vorwärmer 100 zugeführt wird. Durch die Verbrennung des Brennstoffes im ersten Calcinatorabschnitt 10 entsteht Energie, welche für den Entsäuerungsprozess des Edukts verwendet wird, sodass CO₂ erzeugt wird. Im zweiten Calcinatorabschnitt 20 wird von oben über die zweite Brennstoffzufuhr 22 ein fester Brennstoff, beispielsweise über eine Schnecke, zugeführt, der dann auf der schrägen Fläche des zweiten Calcinatorabschnitts 20 verbrennt. Verbrennungsreste, beispielsweise Metallbestandteile des Brennstoffs, fallen durch den ersten Calcinatorabschnitt 10 und können unter diesem dann entnommen werden. Der zweite Calcinatorabschnitt 20 weist weiter eine erste zweite Eduktzuführung 24 auf, über die ebenfalls Edukt aus dem Vorwärmer zugegeben werden kann. Oberhalb des zweiten Calcinatorabschnitts 20 ist ein dritter Calcinatorabschnitt 30 angeordnet, welcher eine dritte Brennstoffzufuhr 32 und eine erste dritte Eduktzuführung 34 aufweist.
Zusätzlich weist die in 2 gezeigte Vorrichtung einen Bypass 40 mit einem Durchflussregelventil 42 auf. Zu Regelung des Durchflussregelventils 42 weist die Vorrichtung einen ersten Drucksensor 50 auf, der vor der Abzweigung des Bypass 40 angeordnet ist. Weiter weist die Vorrichtung einen zweiten Drucksensor 54 auf, wobei dieser am Ende des Calcinators 110, optional auch hinter einem nicht gezeigten Zyklonabscheider, angeordnet ist. Weiter ist im Bypass 40 hinter dem Durchflussregelventil 42 ein dritter Drucksensor 52 angeordnet.
Wie in 2 angedeutet, ist der Querschnitt des zweiten Calcinatorabschnitts 20 geringer als der Querschnitt des ersten Calcinatorabschnitts 10. Beispielsweise ist der Querschnitt um etwa 30 % kleiner als der Querschnitt des ersten Calcinatorabschnitts 10, was dem Sinus von 45 ° entspricht.
In der zweiten in 3 gezeigten Ausführungsform des Calcinators 110 ist der zweite Calcinatorabschnitt 20 im Gegensatz zu der ersten in 2 gezeigten Ausführungsform absteigend angeordnet. Hierdurch durchqueren Brennstoff und Edukt sowie der Gasstrom den zweiten Calcinatorabschnitt 20 im Gleichstrom.
Die dritte in 4 gezeigten Ausführungsform des Calcinators 110 ist deutlich anders aufgebaut. Zunächst wird der Gasstrom geteilt und nur ein Teilstrom durch den zweiten Calcinatorabschnitt 20 geführt. Ein weiterer Teilstrom gelangt durch einen Bypass 40 und ein Durchflussregelventil 42 an den zweiten Calcinatorabschnitt 20 vorbei und wird mit dem aus dem zweiten Calcinatorabschnitt 20 austretendem Gasstrom wieder vereint in den ersten Calcinatorabschnitt 10 geführt.
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
40: Bypass
42: Durchflussregelventil
50: erster Drucksensor
52: dritter Drucksensor
54: zweiter Drucksensor
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 die Vorrichtung einen Bypass (40) aufweist, wobei der Bypass (40) ein Durchflussregelventil (42) aufweist, wobei der Bypass (40) so mit dem Calcinator (110) verbunden ist, dass der Bypass (40) einen Teilstrom des in den Calcinator (110) eintretenden Gasstroms hinter den zweiten Calcinatorabschnitt (20) in den Calcinator (110) leitet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Calcinatorabschnitt (10) unterhalb des zweiten Calcinatorabschnitts (20) angeordnet ist, wobei die Vorrichtung einen dritten Calcinatorabschnitt aufweist, wobei der dritte Calcinatorabschnitt senkrecht angeordnet ist, wobei der dritte Calcinatorabschnitt oberhalb des zweiten Calcinatorabschnittes (20) angeordnet ist, wobei der Bypass (40) zwischen den zweiten Calcinatorabschnitt (20) und dem dritten Calcinatorabschnitt (30) mit dem Calcinator (110) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Calcinatorabschnitt (10) und der zweite Calcinatorabschnitt (20) dazu ausgebildet sind, von einem Gasstrom von unten nach oben durchströmt zu werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Calcinatorabschnitt (10) zur Durchströmung von einem Gasstrom von unten nach oben ausgebildet ist, wobei der zweite Calcinatorabschnitt (20) dazu ausgebildet ist, von einem Gasstrom von oben nach unten durchströmt zu werden.
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 Vorrichtung einen ersten Drucksensor aufweist, wobei der erste Drucksensor gasströmungstechnisch vor der Abzweigung des Bypasses (40) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bypass (40) gasströmungstechnisch hinter dem Durchflussregelventil (42) ein zweiter Drucksensor angeordnet ist.
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.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Calcinator (110) hinter der Zuführung des Bypasses (40), bevorzugt hinter dem dritten Calcinatorabschnitt (30) ein dritter Drucksensor angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass hinter dem Calcinator (110) ein Gassensor angeordnet ist, wobei der Gassensor zur Erfassung des Sauerstoffgehalts und/oder des Kohlenmonoxidgehalts ausgebildet ist.
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, wobei die Vorrichtung einen Bypass (40) mit einem Durchflussregelventil (42) aufweist, wobei das Durchflussregelventil (42) so geregelt wird, dass die Druckdifferenz zwischen dem Gasstrom vor der Abzweigung des Bypass (40) und dem Druck im Calcinator (110) hinter der Zuführung des Bypass (40) gleich der Druckdifferenz zwischen den Druck im Bypass (40) hinter dem Durchflussregelventil (42) und dem Druck im Calcinator (110) hinter der Zuführung des Bypass (40) ist.
Verfahren nach Anspruch 11, 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 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich der Sauerstoffgehalt und/oder der Kohlenmonoxidgehalt Am Ausgang des zweiten Calcinatorabschnitts (20) als Regelgröße für das Durchflussregelventil (42) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffgehalt zwischen 0,5 Vol.-% und 15 Vol.-%, bevorzugt zwischen 2 Vol.% und 3 Vol.-%, bezogen aus den nassen Gasstrom liegen soll.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdifferenz auf einen Wert von 3 · 10² bis 3 · 10³ Pa, bevorzugt 5 · 10² bis 1,5 · 10³ Pa, eingestellt wird.