DE102022133349A1 - Device for color optimization of activated tones - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur thermischen Aktivierung von mineralischen Materialien, wobei die Vorrichtung einen Calcinator 40, eine Reduktionsvorrichtung und einen Materialkühler 70 aufweist, wobei der Calcinator 40 und die Reduktionsvorrichtung zur Überführung von calciniertem Material miteinander verbunden sind, wobei die Reduktionsvorrichtung mit dem Materialkühler 70 zur Überführung von farboptimiertem Material verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktionsvorrichtung ein Wirbelschichtreaktor 50 ist.The present invention relates to a device for the thermal activation of mineral materials, wherein the device comprises a calciner 40, a reduction device and a material cooler 70, wherein the calciner 40 and the reduction device are connected to one another for the transfer of calcined material, wherein the reduction device is connected to the material cooler 70 for the transfer of color-optimized material, characterized in that the reduction device is a fluidized bed reactor 50.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Farboptimierung von aktivierten Tonen.The invention relates to a device and a method for color optimization of activated clays.
Die Zementindustrie ist ein großer Kohlendioxid-Emittent. Ein wichtiger Punkt ist das aus dem Kalkstein freigesetzte Kohlendioxid. Um die Kohlendioxid-Emissionen zu senken, wird auf Klinkerersatzstoffe zurückgegriffen, welche bei der Aktivierung vorzugsweise eben kein Kohlendioxid freisetzen. Ein wichtiges Produkt sind daher aktivierte Tone. Ein Problem bei Tonen ist jedoch, dass diese oftmals beispielsweise Eisen enthalten, welches bei einer Aktivierung unter oxidierenden Bedingungen üblicherweise (wenigstens teilweise) aufoxidiert wird und als FeIII stark rot farbgebend ist. Dieses wird jedoch vom Kunden üblicherweise nicht akzeptiert. Um eine zement- oder klinkerähnliche Farbe zu erhalten, welche vom Kunden akzeptiert wird, wird der aktivierte Ton oftmals unter reduzierenden Bedingungen behandelt, um das aufoxidierte Eisen wieder zu reduzieren und somit den aktivierten Ton eine zementähnliche Farbe zu geben.The cement industry is a major emitter of carbon dioxide. An important point is the carbon dioxide released from limestone. In order to reduce carbon dioxide emissions, clinker substitutes are used, which preferably do not release carbon dioxide when activated. Activated clays are therefore an important product. One problem with clays, however, is that they often contain iron, for example, which is usually (at least partially) oxidized when activated under oxidizing conditions and, as Fe III , gives the clay a strong red color. However, this is usually not accepted by customers. In order to obtain a cement- or clinker-like color, which is accepted by customers, the activated clay is often treated under reducing conditions to reduce the oxidized iron again and thus give the activated clay a cement-like color.
Aus der
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Bei der Farboptimierung ergeben sich jedoch zwei Problemstellungen. Zum einen ist eine längere Verweilzeit der bereits aktivierten Tone bei hoher Temperatur schlecht, da es zu einer Deaktivierung kommen kann. Dieser Effekt ist zusätzlich von der Partikelgröße abhängig. Bei kleineren Partikeln tritt die Deaktivierung schneller ein. Zum anderen ist aber die Reduktion und damit die Farboptimierung ebenfalls von der Partikelgröße abhängig. Je kleiner die Partikel sind, umso schneller geht die Entfärbung, je größer die Partikel sind, desto länger wird für die Reduktion benötigt. Dieses führt nun dazu, dass ein Optimum gefunden werden muss, bei dem die kleinsten Partikel nicht deaktiviert werden und die größten Partikel noch entfärbt werden. Dieses Optimum wird dadurch erreicht, dass man eine möglichst schmale Partikelgrößenverteilung wählt, also den Unterschied zwischen dem kleinsten Partikel und dem größten Partikel gering hält. Dieses wiederum ist aufwändig und energieintensiv, was wiederum eine neue potentielle Kohlendioxidquelle schafft, da regenerative Energie für die Prozesse zur Herstellung eines engen Kornbandes nur begrenzt verfügbar ist.However, there are two problems with color optimization. Firstly, a longer residence time of the already activated clays at high temperatures is bad because it can lead to deactivation. This effect also depends on the particle size. Deactivation occurs more quickly with smaller particles. Secondly, the reduction and thus the color optimization also depends on the particle size. The smaller the particles, the faster the decolorization takes place, the larger the particles, the longer the reduction takes. This means that an optimum must be found in which the smallest particles are not deactivated and the largest particles are still decolorized. This optimum is achieved by choosing the narrowest possible particle size distribution, i.e. keeping the difference between the smallest particle and the largest particle small. This in turn is complex and energy-intensive, which in turn creates a new potential source of carbon dioxide, since renewable energy is only available to a limited extent for the processes for producing a narrow grain band.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, bei dem die Farboptimierung auch mit einer deutlich breiteren Partikelgrößenverteilung möglich ist.The object of the invention is to provide a device and a method in which color optimization is also possible with a significantly broader particle size distribution.
Gelöst wird diese Aufgabe durch Vorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.This object is achieved by a device having the features specified in claim 1. Advantageous further developments emerge from the subclaims, the following description and the drawings.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur thermischen Aktivierung von mineralischen Materialien, insbesondere Tonen. Die Vorrichtung weist einen Calcinator, eine Reduktionsvorrichtung und einen Materialkühler auf. Der Calcinator und die Reduktionsvorrichtung sind zur Überführung von calciniertem Material miteinander verbunden. Die Reduktionsvorrichtung ist mit dem Materialkühler zur Überführung von farboptimierten Material verbunden. Erfindungsgemäß ist die Reduktionsvorrichtung ein Wirbelschichtreaktor. Dieser Wirbelschichtreaktor oder Wirbelbettreaktor hat sich als Reduktionsvorrichtung als extrem vorteilhaft erweisen, wenn eine breite Partikelgrößenverteilung vorliegt (ein breites Kornband). Zum einen werden extrem kleine Partikel sehr schnell mit dem Fluidisierungsgas ausgetragen. Zum anderen hat die Partikelgröße auch einen Einfluss auf die Transportgeschwindigkeit im Wirbelschichtreaktor. Dadurch ermöglicht der Wirbelschichtreaktor die Farboptimierung in einfacher Weise, da kleine Partikel, welche schnell farboptimiert sind, auch schneller ausgetragen werden, wohingegen große Partikel, welche eine längere Behandlungszeit benötigen, auch eine längere Verweilzeit aufweisen. Somit ist es möglich, deutlich Energie bei der Zerkleinerung und bei der Fraktionierung der Partikelgrößenverteilung einzusparen.The device according to the invention is used for the thermal activation of mineral materials, in particular clays. The device has a calciner, a reduction device and a material cooler. The calciner and the reduction device are connected to one another for the transfer of calcined material. The reduction device is connected to the material cooler for the transfer of color-optimized material. According to the invention, the reduction device is a fluidized bed reactor. This fluidized bed reactor or fluidized bed reactor has proven to be extremely advantageous as a reduction device when there is a broad particle size distribution (a broad grain range). On the one hand, extremely small particles are discharged very quickly with the fluidization gas. On the other hand, the particle size also has an influence on the transport speed in the fluidized bed reactor. The fluidized bed reactor therefore enables color optimization in a simple manner, since small particles that are quickly color-optimized are also discharged more quickly, whereas large particles that require a longer treatment time also have a longer residence time. This makes it possible to save considerable energy in the comminution and fractionation of the particle size distribution.
Zusätzlich kann beispielsweise vor dem Calcinator ein Vorwärmer angeordnet sein. Hierdurch kann die mit dem Gasstrom aus dem Calcinator ausgetragene Wärme auf das thermisch zu aktivierende Material übertragen werden.In addition, a preheater can be arranged upstream of the calciner. This allows the heat carried out of the calciner with the gas flow to be transferred to the material to be thermally activated.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Reduktionsvorrichtung einen ersten Materialausgang und einen zweiten Materialausgang auf. Insbesondere sind der erste Materialausgang und der zweite Materialausgang auf unterschiedlichen Höhen angeordnet. Beispielsweise kann der erste Materialausgang an der Unterseite der Wirbelschicht angeordnet sein. Dadurch wird durch den ersten Materialausgang eine Grobfraktion des farboptimierten Materials ausgetragen. Beispielsweise kann der zweite Materialaustrag an der Oberseite der Wirbelschicht angeordnet sein. Dadurch wird durch den zweiten Materialausgang eine Feinfraktion des farboptimierten Materials ausgetragen. So kann neben der gezielten Farboptimierung auch gleich eine Trennung nach Größe erfolgen. Die beiden Fraktionen können anschließend getrennt oder vereint weiterverarbeitet werden.In a further embodiment of the invention, the reduction device has a first material outlet and a second material outlet. In particular, the first material outlet and the second material outlet are arranged at different heights. For example, the first material outlet can be located on the underside of the fluidized bed. This means that a coarse fraction of the color-optimized material is discharged through the first material outlet. For example, the second material outlet can be located on the top of the fluidized bed. This means that a fine fraction of the color-optimized material is discharged through the second material outlet. In this way, in addition to targeted color optimization, separation by size can also be carried out. The two fractions can then be processed separately or together.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind der erste Materialausgang und der zweite Materialausgang jeweils mit dem Materialkühler zur Überführung von farboptimierten Material miteinander verbunden. Hierbei werden der erste Materialstrom aus dem ersten Materialausgang und der zweite Materialstrom aus dem zweiten Materialausgang bevorzugt an unterschiedlichen Stellen in den Materialkühler eingebracht. Hierdurch kann auch eine angepasste Kühlung erfolgen, insbesondere, wenn der erste Materialstrom und der zweite Materialstrom eine unterschiedliche Partikelgrößenverteilung aufweisen.In a further embodiment of the invention, the first material outlet and the second material outlet are each connected to the material cooler for transferring color-optimized material. The first material flow from the first material outlet and the second material flow from the second material outlet are preferably introduced into the material cooler at different points. This also allows for customized cooling, particularly if the first material flow and the second material flow have a different particle size distribution.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung eine Desagglomerationsvorrichtung auf. Die Desagglomerationsvorrichtung ist mit dem Calcinator zur Überführung von desagglomeriertem Material verbunden. Beispielsweise und bevorzugt ist die Desagglomerationsvorrichtung über einen Steigrohrtrockner mit dem Calcinator zur Überführung von desagglomeriertem Material verbunden. Weiter bevorzugt ist die Desagglomerationsvorrichtung eine Hammermühle, Vertikalrollenmühle, Prallmühle, Pendelrollenmühle oder Rührwerksmühle. Besonders bevorzugt ist die Desagglomerationsvorrichtung eine Hammermühle.In a further embodiment of the invention, the device has a deagglomeration device. The deagglomeration device is connected to the calciner for transferring deagglomerated material. For example and preferably, the deagglomeration device is connected to the calciner for transferring deagglomerated material via a riser dryer. The deagglomeration device is further preferably a hammer mill, vertical roller mill, impact mill, pendulum roller mill or agitator mill. The deagglomeration device is particularly preferably a hammer mill.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung eine Farberfassungsvorrichtung auf. Die Farberfassungsvorrichtung ist zur Erfassung der Farbe des Produkts ausgebildet. Die Farberfassungsvorrichtung ist in oder entlang des Produktstromes nach dem Materialkühler angeordnet. Durch die Erfassung der Farbe kann eine Reduktion und damit eine Farboptimierung im notwendigen Maße durchgeführt werden, aber auch auf das notwendige Maß beschränkt werden, wodurch Reduktionsmittel eingespart werden kann.In a further embodiment of the invention, the device has a color detection device. The color detection device is designed to detect the color of the product. The color detection device is arranged in or along the product flow after the material cooler. By detecting the color, a reduction and thus a color optimization can be carried out to the necessary extent, but can also be limited to the necessary extent, whereby reducing agent can be saved.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung eine Reduktionsmittelzuführung auf. Die Reduktionsmittelzuführung ist mit der Reduktionsvorrichtung zur Zuführung von Reduktionsmittel verbunden. Als Reduktionsmittel können verschiedene gasförmige, flüssige oder feste Stoffe eingesetzt werden. Typische gasförmige Reduktionsmittel sind Methan, Wasserstoff oder Kohlenmonoxid. Beispiele für flüssige Reduktionsmittel sind flüssige Kohlenwasserstoffe. Ein wichtiges Beispiel für ein festes Reduktionsmittel ist Kohle, insbesondere Kohlenstaub oder Biomasse. Ist das Reduktionsmittel ein Brennstoff, so erfolgt üblicherweise eine Verbrennung bei einem Unterschuss an Sauerstoff, sodass eine reduzierende Atmosphäre entsteht, beispielsweise und insbesondere Kohlenmonoxid. Die Vorrichtung weist weiter eine Steuervorrichtung auf. Die Steuervorrichtung ist zur Regelung der durch die Reduktionsmittelzuführung zugeführten Menge an Reduktionsmittel ausgebildet. Dazu ist die Steuervorrichtung in entsprechender Weise zur Übertragung von Steuerbefehlen oder durch das direkte Ansteuern von zum Beispiel Stellmotoren mit der Reduktionsmittelzuführung verbunden. Die Steuervorrichtung ist weiter zur Regelung der Menge an Reduktionsmittel in Abhängigkeit von der Farberfassungsvorrichtung erfassten Farbe ausgebildet. Dazu weist die Steuervorrichtung insbesondere eine Datenverbindung zur Farberfassungsvorrichtung auf, um die von der Farberfassungsvorrichtung erfasste Farbe des Produktes zu erhalten. Weiter weist die Steuervorrichtung beispielsweise einen Farbschwellenwert auf. Wird der Farbschwellenwert überschritten, ist die Probe also beispielsweise zu rötlich, so wird die Zufuhr an Reduktionsmittel erhöht, um eine stärkere Entfärbung zu erreichen. Wird der Farbschwellwert unterschritten, so wird die Zufuhr an Reduktionsmittel reduziert, um einen unnötigen Verbrauch dessen zu vermeiden. Beispielsweise kann der Farbschwellenwert auch in Form eines Bereichs vorgegeben sein. Alternativ kann die Steuerungsvorrichtung eine Zuordnungstabelle aufweisen, in welcher die Menge an Reduktionsmittel für verschiedene Farbwertbereiche vorgegeben ist. Insgesamt kann somit die minimale Menge an Reduktionsmittel verwendet werden, die benötigt wird, um eine ausreichende Entfärbung und damit Marktakzeptanz zu erreichen.In a further embodiment of the invention, the device has a reducing agent supply. The reducing agent supply is connected to the reducing device for supplying reducing agent. Various gaseous, liquid or solid substances can be used as reducing agents. Typical gaseous reducing agents are methane, hydrogen or carbon monoxide. Examples of liquid reducing agents are liquid hydrocarbons. An important example of a solid reducing agent is coal, in particular coal dust or biomass. If the reducing agent is a fuel, combustion usually takes place in the absence of oxygen, so that a reducing atmosphere is created, for example and in particular carbon monoxide. The device also has a control device. The control device is designed to regulate the amount of reducing agent supplied by the reducing agent supply. For this purpose, the control device is connected to the reducing agent supply in a corresponding manner for transmitting control commands or by directly controlling, for example, servomotors. The control device is also designed to regulate the amount of reducing agent depending on the color detected by the color detection device. For this purpose, the control device has in particular a data connection to the color detection device in order to obtain the color of the product detected by the color detection device. The control device also has, for example, a color threshold value. If the color threshold value is exceeded, for example if the sample is too reddish, the supply of reducing agent is increased in order to achieve greater decolorization. If the color threshold value is not reached, the supply of reducing agent is reduced in order to avoid unnecessary consumption. For example, the color threshold value can also be specified in the form of a range. Alternatively, the control device can have an allocation table in which the amount of reducing agent is specified for different color value ranges. Overall, the minimum amount of reducing agent required to achieve sufficient decolorization and thus market acceptance can thus be used.
ES kann vorgesehen sein, dass sowohl ein Reduktionsmittel als auch ein Brennmittel vorgesehen sind. Beispielsweise wird als Brennmittel Biomasse verwendet, wobei beispielsweise eine ungefähr stöchiometrische Verbrennung erfolgt. Dadurch ist nach der Verbrennung der Restsauerstoffgehalt üblicherweise gering. Anschließend wird beispielsweise Wasserstoff als Reduktionsmittel zugegeben. Dieser weist als kleines Molekül hervorragende Diffusionseigenschaften auf, wäre als Brennstoff aber teurer als die Biomasse.It can be provided that both a reducing agent and a fuel are provided. For example, biomass is used as the fuel, with approximately stoichiometric combustion taking place. As a result, the residual oxygen content after combustion is usually low. Hydrogen is then added as a reducing agent, for example. As a small molecule, this has excellent diffusion properties, but would be more expensive as a fuel than biomass.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der Reduktionsvorrichtung und dem Materialkühler eine gasabschließende Materialschleuse angeordnet.In a further embodiment of the invention, a gas-sealing material lock is arranged between the reduction device and the material cooler.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Calcinator und der Reduktionsvorrichtung eine gasabschließende Materialschleuse angeordnet.In a further embodiment of the invention, a gas-sealing material lock is arranged between the calciner and the reduction device.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung eine Gaszuführung zur Reduktionsvorrichtung auf. Die Gaszuführung ist bezüglich Volumenstrom und Gasgeschwindigkeit regelbar. Die Vorrichtung weist eine Steuervorrichtung auf. Die Vorrichtung weist weiter eine Partikelgrößenvorgabevorrichtung auf. Die Partikelgrößenvorgabevorrichtung kann beispielsweise dadurch ausgebildet sein, dass von einer Partikelgrößenmessvorrichtung die Partikelgrößenverteilung ermittelt und an die Partikelgrößenvorgabevorrichtung übergeben wird. Alternativ kann die Partikelgrößenvorgabevorrichtung eine Eingabevorrichtung im herkömmlichen Sinne sein, bei der ein Bediener die Partikelgrößenverteilung entweder direkt oder über eine Auswahl aus vorgegebenen Verteilungen eingibt. Ebenso kann die Partikelgrößenvorgabevorrichtung als Schnittstelle zu einem zentralen Datenbanksystem sein, welches Beispielsweise Daten aus der Laboranalytik oder zu zugelieferten Produkten aufweist und so die Partikelgrößenverteilung beispielsweise aufgrund des zugelieferten Materials übergeben kann. Die Steuervorrichtung ist zur Ansteuerung der Gaszuführung in der Art ausgebildet, dass die Steuervorrichtung Volumenstrom und Gasgeschwindigkeit in Abhängigkeit der durch die Partikelgrößenvorgabevorrichtung vorgegebene Partikelgröße des Materials steuert. Die Partikelgrößenverteilung hat einen Einfluss auf die Lockerungsgeschwindigkeit (Lockerungspunkt), also den Punkt, an dem der Gasstrom den Feststoff gerade zu fluidisieren beginnt. Da bevorzugt die Vorrichtung mit einer Fluidisierungsgeschwindigkeit des Gasstromes betrieben wird, welche dem 5-fachen bis 15-fachen der Lockerungsgeschwindigkeit entspricht, ist es hilfreich, eine Größe, wie zum Beispiel die Partikelgröße zu erfassen, sodass man dadurch eine veränderte Lockerungsgeschwindigkeit der Wirbelschicht einfach erkennen kann.In a further embodiment of the invention, the device has a gas supply to the reduction device. The gas supply can be regulated with regard to volume flow and gas velocity. The device has a control device. The device also has a particle size specification device. The particle size specification device can be designed, for example, in that the particle size distribution is determined by a particle size measuring device and passed on to the particle size specification device. Alternatively, the particle size specification device can be an input device in the conventional sense, in which an operator enters the particle size distribution either directly or via a selection from predetermined distributions. The particle size specification device can also be an interface to a central database system, which, for example, has data from laboratory analysis or on supplied products and can thus pass on the particle size distribution, for example based on the supplied material. The control device is designed to control the gas supply in such a way that the control device controls the volume flow and gas velocity depending on the particle size of the material specified by the particle size specification device. The particle size distribution has an influence on the loosening speed (loosening point), i.e. the point at which the gas flow just begins to fluidize the solid. Since the device is preferably operated with a fluidization speed of the gas flow that corresponds to 5 to 15 times the loosening speed, it is helpful to record a value such as the particle size so that a change in the loosening speed of the fluidized bed can be easily recognized.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Partikelgrößenvorgabevorrichtung eine Partikelgrößenmessvorrichtung auf oder mit dieser verbunden. Beispielsweise kann die Partikelgrößenmessvorrichtung mittels Lichtstreuung im oder vor dem Calcinator die Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung erfassen. Alternativ können vor oder nach der Reduktionsvorrichtung Proben entnommen und der Partikelgrößenmessvorrichtung zugeführt werden.In a further embodiment of the invention, the particle size specification device has a particle size measuring device or is connected to it. For example, the particle size measuring device can determine the particle size and particle size distribution by means of light scattering in or before the calciner. Alternatively, samples can be taken before or after the reduction device and fed to the particle size measuring device.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die Partikelgrößenvorgabevorrichtung eine Eingabevorrichtung, über welche manuell die Informationen vom Anlagenpersonal eingegeben werden können. Weiter alternativ ist die Partikelgrößenvorgabevorrichtung eine Schnittstelle, über die Informationen zur Partikelgrößenverteilung beispielsweise aus einem Analytiklaborsystem übernommen werden können.In a further alternative embodiment of the invention, the particle size specification device is an input device via which the information can be manually entered by the plant personnel. As a further alternative, the particle size specification device is an interface via which information on the particle size distribution can be taken over, for example from an analytical laboratory system.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Reduktionsvorrichtung Leitelemente zur Führung des Materialstroms auf. Beispielsweise können diese im unteren Bereich des Wirbelbettes dazu angeordnet sein, den Weg der größten Partikel zu verlängern und dadurch die Verweilzeit dieser größten Partikel in der Reduktionsvorrichtung zu verlängern.In a further embodiment of the invention, the reduction device has guide elements for guiding the material flow. For example, these can be arranged in the lower region of the fluidized bed to extend the path of the largest particles and thereby extend the residence time of these largest particles in the reduction device.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Reduktionsvorrichtung Leitelemente zur Führung des Gasstroms auf. Dieses dient dazu, insbesondere den aus der Wirbelschicht bereits ausgetretenen Gasstrom und die mit dem Gasstrom ausgetragenen feinsten Partikel für eine Mindestzeit in der Reduktionsvorrichtung zu halten und so eine sichere Reduktion und Farboptimierung zu gewährleisten. Dieses kann beispielsweise durch eine Labyrinthführung erfolgen.In a further embodiment of the invention, the reduction device has guide elements for guiding the gas flow. This serves in particular to keep the gas flow that has already emerged from the fluidized bed and the finest particles carried away with the gas flow in the reduction device for a minimum time and thus ensure reliable reduction and color optimization. This can be done, for example, using a labyrinth guide.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Reduktionsvorrichtung einen Gasauslass auf. Der Gasauslass ist mit einer Filtervorrichtung verbunden. In der Filtervorrichtung wird die feinste Fraktion des aktivierten und farboptimierten Materials abgeschieden. Diese Fraktion ist üblicherweise zugleich die aktivste Fraktion. Diese kann entweder mit dem weiteren aktivierten und farboptimierten Material wieder vereinigt werden. Diese feinste Fraktion kann aber auch getrennt weiterverarbeitet werden, beispielsweise für besonders anspruchsvolle Anwendungen.In a further embodiment of the invention, the reduction device has a gas outlet. The gas outlet is connected to a filter device. The finest fraction of the activated and color-optimized material is separated in the filter device. This fraction is usually also the most active fraction. This can either be recombined with the other activated and color-optimized material. This finest fraction can also be further processed separately, for example for particularly demanding applications.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist strömungstechnisch hinter dem Gasauslass ein Gassensor angeordnet, welcher ausgebildet ist zur Erfassung der Konzentration eines oder mehrerer Stoffe ausgewählt aus der Liste umfassend Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff, Methan. Diese Stoffe können entweder direkt als Reduktionsmittel eingesetzt werden oder entstehen in der Reduktionsvorrichtung. Daher kann die erfasste Konzentration am Ausgang als Indikator für einen Überschuss an Reduktionsmittel verwendet werden. Die Kohlendioxidkonzentration wird bevorzugt zusammen mit der Kohlenmonoxidkonzentration erfasst, insbesondere um das Verhältnis zu ermitteln.In a further embodiment of the invention, a gas sensor is arranged fluidically behind the gas outlet, which is designed to detect the concentration of one or more substances selected from the list comprising carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen, methane. These substances can either be used directly as reducing agents or are created in the reduction device. Therefore, the detected concentration at the outlet can be used as an indicator of an excess of reducing agent. The carbon dioxide concentration is preferably detected together with the carbon monoxide concentration, in particular to determine the ratio.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung einen Bypass zwischen Calcinator und Materialkühler zur Umgehung der Reduktionsvorrichtung auf. In a further embodiment of the invention, the device has a bypass between the calciner and the material cooler to bypass the reduction device.
Dieser Bypass wird bevorzugt ausschließlich für das Anfahren und Abfahren der Vorrichtung verwendet. Über den Bypass kann das aktivierte Material an der Reduktionsvorrichtung direkt in den Materialkühler überführt werden.This bypass is preferably used exclusively for starting up and shutting down the device. The activated material at the reduction device can be transferred directly to the material cooler via the bypass.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Reduktionsvorrichtung ein Tauchrohr für die Zuführung von aktiviertem Material auf. Das Tauchrohr reicht hierbei bevorzugt in die Wirbelschicht hinein. Hierdurch wird das aktivierte Material direkt ins Innere der Wirbelschicht eingebracht, sodass sich insbesondere für die feinsten Partikel die Verweilzeit etwas verlängert und so auch für die feinsten Partikel eine Farboptimierung gewährleistet ist.In a further embodiment of the invention, the reduction device has a dip tube for supplying activated material. The dip tube preferably extends into the fluidized bed. This introduces the activated material directly into the interior of the fluidized bed, so that the residence time is slightly extended, particularly for the finest particles, and color optimization is thus ensured even for the finest particles.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Farboptimierung eines aktivierten Materials mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Für die Farboptimierung in der Reduktionsvorrichtung wird eine breite Partikelgrößenverteilung ausgewählt, wobei die breite Partikelgrößenverteilung sich dadurch auszeichnet, dass wenigstens 10 Gew.- % der Partikel kleiner als 50 µm und wenigstens 10 Gew.-% der Partikel größer als 250 µm sind. Ein derartiges breites Kornband (Partikelgrößenverteilung) ist ungewöhnlich und für die bisherigen Anlagen nicht zu verarbeiten. Bei bisherigen Anlagen würden die sehr kleinen Partikel schon deaktiviert, bevor die sehr großen Partikel farboptimiert werden. Die Verwendung eines Wirbelschichtreaktors erlaubt aber gerade die Verwendung dieser breiten Partikelgrößenverteilung. Dadurch kann bei der Zerkleinerung beziehungsweise Desagglomeration viel Energie gespart werden und/oder auf einen Größentrennungsschritt verzichtet werden.In a further aspect, the invention relates to a method for color optimization of an activated material using a device according to the invention. A broad particle size distribution is selected for color optimization in the reduction device, the broad particle size distribution being characterized by at least 10% by weight of the particles being smaller than 50 µm and at least 10% by weight of the particles being larger than 250 µm. Such a broad grain range (particle size distribution) is unusual and cannot be processed by the existing systems. In existing systems, the very small particles would already be deactivated before the very large particles are color-optimized. However, the use of a fluidized bed reactor allows the use of this broad particle size distribution. This means that a lot of energy can be saved during comminution or deagglomeration and/or a size separation step can be dispensed with.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Partikelgrößenverteilung so ausgewählt, dass alle Partikel kleiner als 2 mm sind.In a further embodiment of the invention, the particle size distribution is selected such that all particles are smaller than 2 mm.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Partikelgrößenverteilung so ausgewählt, dass wenigstens 5 Gew.-% der Partikel größer als 900 µm sind.In a further embodiment of the invention, the particle size distribution is selected such that at least 5 wt.% of the particles are larger than 900 µm.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Partikelgrößenverteilung so ausgewählt, dass wenigstens 5 Gew.-% der Partikel kleiner als 20 µm sind.In a further embodiment of the invention, the particle size distribution is selected such that at least 5 wt.% of the particles are smaller than 20 µm.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden mindestens 10 Gew.-% des Materialstromes aus der Reduktionsvorrichtung über den Gasstrom durch den Gasauslass ausgetragen und in der Filtervorrichtung abgeschieden. Dieses bedeutet, dass die feinste Fraktion mit einer besonders geringen Partikelgröße eben mindestens 10 Gew.-% ausmacht. Dieser Anteil würde nach einem herkömmlichen Verfahren mit hoher Wahrscheinlichkeit in der Reduktionsvorrichtung wieder an Aktivität verlieren. In einem Wirbelschichtreaktor gemäß der Erfindung wird diese Fraktion jedoch über das Fluidisierungsgas sehr schnell ausgetragen, sodass zwar die Farboptimierung, jedoch keine Deaktivierung erfolgt. Durch diesen Effekt der Wirbelschicht erfolgt zugleich eine Abtrennung der Feinstfraktion.In a further embodiment of the invention, at least 10% by weight of the material flow from the reduction device is discharged via the gas flow through the gas outlet and separated in the filter device. This means that the finest fraction with a particularly small particle size makes up at least 10% by weight. In a conventional process, this proportion would most likely lose activity in the reduction device. In a fluidized bed reactor according to the invention, however, this fraction is discharged very quickly via the fluidization gas, so that color optimization occurs but no deactivation occurs. This effect of the fluidized bed simultaneously separates the finest fraction.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Fluidisierungsgeschwindigkeit in der Reduktionsvorrichtung so gewählt, dass die Fluidisierungsgeschwindigkeit dem 5-fachen bis dem 15-fachen der Lockerungsgeschwindigkeit beträgt. Die Lockerungsgeschwindigkeit beziehungsweise der Lockerungspunkt ist die Strömungsgeschwindigkeit des Fluidisierungsgases, bei dem eine Fluidisierung des Materials eintritt, also die theoretisch niedrigste Geschwindigkeit zur Ausbildung der Wirbelschicht. Durch diese höhere Fluidisierungsgeschwindigkeit wird die unterschiedliche Verweilzeit der Partikel in Abhängigkeit der Größe deutlich unterstützt, was bedeutet, dass gerade die feinsten Partikel, welche sehr schnell farboptimiert werden und welche auch entsprechend schnell wieder an Aktivität verlieren würden, eben sehr schnell mit dem Gas auch wieder ausgetragen werden, also nur eine vergleichsweise kurze Verweilzeit aufweisen.In a further embodiment of the invention, the fluidization speed in the reduction device is selected so that the fluidization speed is 5 to 15 times the loosening speed. The loosening speed or the loosening point is the flow speed of the fluidization gas at which fluidization of the material occurs, i.e. the theoretically lowest speed for the formation of the fluidized bed. This higher fluidization speed significantly supports the different residence times of the particles depending on their size, which means that the finest particles in particular, which are color-optimized very quickly and which would also lose activity again accordingly quickly, are carried away again very quickly with the gas, i.e. only have a comparatively short residence time.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das der Reduktionsvorrichtung zugeführte Fluidisierungsgas eine Temperatur von mindestens 700 °C auf. Beispielsweise und insbesondere kann als Gas ein Abgas mit einem Sauerstoffanteil von weniger als 15 Vol.-% verwendet werden. Je geringer der Sauerstoffgehalt und je höher die Temperatur des verwendeten Abgases ist, umso weniger muss dieses weiter erwärmt werden, wodurch weniger Brennstoff (und damit Reduktionsmittel) benötigt wird. Bevorzugt weist das Abgas jedoch einen Sauerstoffanteil von mehr als 0,5 Vol.-% auf, um eine Verbrennung und damit eine Energiefreisetzung zu ermöglichen. Der Vorgang der Farboptimierung, beispielsweise die Reduktion von dreiwertiges Eisen ist endotherm, sodass sich die Temperatur erniedrigen würde. Zusätzlich strahlt die Reduktionsvorrichtung Wärme ab. Insbesondere um diese beiden Effekte in der Reduktionsvorrichtung kompensieren zu können und keine Abkühlung in der Reduktionseinrichtung zuzulassen, weist das Gas eben bevorzugt einen entsprechenden Restsauerstoffgehalt auf.In a further embodiment of the invention, the fluidizing gas supplied to the reduction device has a temperature of at least 700 °C. For example and in particular, an exhaust gas with an oxygen content of less than 15 vol.% can be used as the gas. The lower the oxygen content and the higher the temperature of the exhaust gas used, the less it needs to be heated, which means that less fuel (and thus reducing agent) is required. However, the exhaust gas preferably has an oxygen content of more than 0.5 vol.% in order to enable combustion and thus energy release. The process of color optimization, for example the reduction of trivalent iron, is endothermic, so that the temperature would drop. In addition, the reduction device radiates heat. In particular, in order to be able to compensate for these two effects in the reduction device and not to allow cooling in the reduction device, the gas preferably has a corresponding residual oxygen content.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Reduktionsmittel direkt in die Reduktionsvorrichtung eingebracht. Beispielsweise kann Kohle, insbesondere Kohlenstaub, oder Biomasse über eine direkte Zuführung in die Reduktionsvorrichtung eingebracht werden. Hierdurch wird zum einen die reduzierende Atmosphäre direkt in der Wirbelschicht erzeugt, zum anderen wird die Wärme durch eine Verbrennung ebenfalls direkt zur Verfügung gestellt und so eine konstante Temperatur gehalten. Alternativ kann beispielsweise Wasserstoff oder Methan direkt in die Reduktionsvorrichtung eingebracht werden.In a further embodiment of the invention, a reducing agent is introduced directly into the reduction device. For example, coal, in particular coal dust, or biomass can be introduced into the reduction device via a direct feed. This creates the reducing atmosphere directly in the reactor. On the one hand, the heat is generated by a layer of fuel, and on the other hand, the heat is also made available directly through combustion, thus maintaining a constant temperature. Alternatively, hydrogen or methane, for example, can be introduced directly into the reduction device.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Reduktionsmittel mit dem Gasstrom in die Reduktionsvorrichtung eingebracht. Hierfür eigenen sich vor allem gasförmige Reduktionsmittel wie Wasserstoff und Methan aber auch flüssige Reduktionsmittel, beispielsweise flüssige Kohlenwasserstoffe.In a further embodiment of the invention, a reducing agent is introduced into the reduction device with the gas flow. Gaseous reducing agents such as hydrogen and methane are particularly suitable for this, but also liquid reducing agents, for example liquid hydrocarbons.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Reduktionsmittel mit dem Materialstrom in die Reduktionsvorrichtung eingebracht. Dieses ist bevorzugt für feste Reduktionsmittel, wie zum Beispiel Kohle, insbesondere Kohlenstaub. Hier erfolgte eine Vermischung von Reduktionsmittel mit aktiviertem Material bereits vor der Einbringung in die Reduktionsvorrichtung, sodass die reduzierende Atmosphäre für alle Partikel von Anfang an in gleicher Weise gegeben ist.In a further embodiment of the invention, a reducing agent is introduced into the reduction device with the material flow. This is preferred for solid reducing agents, such as coal, in particular coal dust. Here, the reducing agent is mixed with activated material before it is introduced into the reduction device, so that the reducing atmosphere is the same for all particles right from the start.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird bei eisenhaltigen Mineralien, insbesondere Tone, mit einem Fe2O3 Gehalt über 20 Gew.-% eine Reduktion wenigstens 80 % des Eisens durchgeführt.In a further embodiment of the invention, in iron-containing minerals, in particular clays, with an Fe 2 O 3 content of more than 20 wt.%, a reduction of at least 80% of the iron is carried out.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird bei eisenhaltigen Mineralien, insbesondere Tone, mit einem Fe2O3 Gehalt zwischen 10 Gew.-% und 20 Gew.-% eine Reduktion 50 bis 80 % des Eisens durchgeführt. Hierbei wird der Anteil des zu reduzierenden Anteils des Eisens von 50 % bei 10 Gew.-% auf 80 % bei 20 Gew.-% gesteigert. Dieses kann beispielsweise linear oder stufenweise erfolgen.In a further embodiment of the invention, a reduction of 50 to 80% of the iron is carried out in iron-containing minerals, in particular clays, with an Fe 2 O 3 content between 10 wt.% and 20 wt.%. The proportion of the iron to be reduced is increased from 50% at 10 wt.% to 80% at 20 wt.%. This can be done, for example, linearly or in stages.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird bei eisenhaltigen Mineralien, insbesondere Tone mit einem Fe2O3 Gehalt unter 10 Gew.-% nur eine Reduktion von bis zu 50 % des Eisens durchgeführt.In a further embodiment of the invention, in the case of iron-containing minerals, in particular clays with an Fe 2 O 3 content of less than 10 wt.%, only a reduction of up to 50% of the iron is carried out.
Nachfolgend ist die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
-
1 erstes Ausführungsbeispiel -
2 zweites Ausführungsbeispiel -
3 drittes Ausführungsbeispiel
-
1 first embodiment -
2 second embodiment -
3 third embodiment
In
In
BezugszeichenReference symbols
- 1010
- HammermühleHammer mill
- 2020
- SteigrohrtrocknerRiser dryer
- 3030
- VorwärmerPreheater
- 4040
- CalcinatorCalciner
- 5050
- WirbelschichtreaktorFluidized bed reactor
- 6060
- FiltervorrichtungFilter device
- 7070
- MaterialkühlerMaterial cooler
- 8080
- FarberfassungsvorrichtungColor detection device
- 9090
- BrennkammerCombustion chamber
- 100100
- FluidisierungsgaszufuhrFluidization gas supply
- 110110
- ReduktionsmittelszufuhrReducing agent supply
- 120120
- GassensorGas sensor
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- US 2012160135 A1 [0006]US 2012160135 A1 [0006]
- WO 2021224055 A1 [0007]WO 2021224055 A1 [0007]
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-
2022
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