DE102022209826A1 - Vermeidung von Emissionen bei der Herstellung künstlicher Puzzolane aus mineralischem Material, insbesondere Tonen - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Vorrichtung zur thermischen Behandlung, wobei die Vorrichtung wenigstens einen Vorwärmer 10, einen Calcinator 20 und einen Materialkühler 30 aufweist, wobei ein Feststoffstrom in den Vorwärmer 10, vom Vorwärmer 10 in den Calcinator 20, vom Calcinator 20 in den Materialkühler 30 und aus dem Materialkühler 30 heraus geführt wird, wobei ein Gasstrom in den Materialkühler 30, vom Materialkühler 30 in den Calcinator 20, vom Calcinator 20 in den Vorwärmer 10 und aus dem Vorwärmer 10 heraus geführt wird, wobei die Vorrichtung eine Brennkammer 40 aufweist, wobei der Gasstrom aus dem Materialkühler 30 zumindest teilweise durch die Brennkammer 40 in den Calcinator 20 geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Brennkammer 40 und dem Calcinator 20 eine Verweilzeitvorrichtung 50 angeordnet ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren, mit denen eine Abgasbehandlung zur Umwandlung von Schadstoffen bereits innerhalb des Prozesses und damit ohne nachgelagerte Abgasbehandlung möglich ist, was wiederum den Energieverbrauch für eine Abgasbehandlung reduziert oder vermeidet.
• Bei der Verbrennung von Heizstoffen entstehen beispielsweise Stickoxide, kurz zusammen gefasst unter NO_x, sowie teilweise unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenwasserstoff-haltige Verbindungen, hier und im Folgenden zur Vereinfachung (und unter Vernachlässigung weiterer Heteroatome) zusammengefasst unter C_xH_y. NO_x kann entweder nicht-katalytisch(SNCR) oder katalytisch (SCR) insbesondere mit Ammoniak NH₃ oder Harnstoff zu Stickstoff umgesetzt werden. Kohlenwasserstoff C_xH_y kann mit Sauerstoff zu Wasser und Kohlendioxid umgesetzt werden. Für diese Umsetzung ist ein Temperaturfenster von über 800 °C sinnvoll. Daher ist es in der Abgasbehandlung üblicherweise notwendig, die vergleichsweise kalten Abgase wieder zu erwärmen, was Energie verbraucht und oftmals zusätzliche Wärmetauscher notwendig macht.
• Aus der DE 10 2011 014 498 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Klinkerersatzstoffes bekannt.
• Aus der US 9 458 059 B2 ist ein Herstellungsprozess für synthetische Puzzolane bekannt.
• Aufgabe der Erfindung ist es, bei der Abgasbehandlung Energie zu sparen, und so weitere CO₂-Emissionen, beispielsweise aus der Verbrennung von Brennstoffen als Wärmequelle, zu vermeiden.
• Gelöst wird diese Aufgabe durch die Vorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch das Verfahren mit den in Anspruch 20 angegebenen Merkmalen.
• Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie der Zeichnung.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur thermischen Behandlung beispielsweise und insbesondere von mineralischem Material, insbesondere Tonen, zur Herstellung von künstlichen Puzzolanen als Zusatzstoff für Zementklinker. Tone haben sich zunehmend als wichtiger Rohstoff in der Zementindustrie etabliert, da bei deren thermischer Behandlung weniger oder kein CO₂ aus dem Rohstoff freigesetzt wird, wie dieses beispielsweise beim Brennen von Kalkstein geschieht. Da die Temperatur für die Aktivierung mineralischer Materialien, insbesondere Tone, jedoch häufig unter 800 °C liegen kann, reicht die Temperatur innerhalb des Calcinators nicht aus, um Schadstoffe zuverlässig umzusetzen. Die Vorrichtung weist wenigstens einen Vorwärmer, einen Calcinator und einen Materialkühler auf. Der Vorwärmer ist beispielsweise als Gleichstromwärmetauscher mit Zyklonabscheider oder als Kaskade aus zwei bis sechs Gleichstromwärmetauschern mit Zyklonabscheider ausgebildet. Alternativ kann der Vorwärmer auch als Kreuzstromwärmetauscher ausgebildet sein. Der Materialkühler ist ebenfalls bevorzugt als Gleichstromwärmetauscher mit Zyklonabscheider oder als Kaskade aus zwei bis sechs Gleichstromwärmetauschern mit Zyklonabscheider ausgebildet. Alternativ kann der Materialkühler auch als Kreuzstromwärmetauscher ausgebildet sein. Ein Feststoffstrom wird in den Vorwärmer, vom Vorwärmer in den Calcinator, vom Calcinator in den Materialkühler und aus dem Materialkühler herausgeführt. Im Gegenstrom dazu wird ein Gasstrom in den Materialkühler, vom Materialkühler in den Calcinator, vom Calcinator in den Vorwärmer und aus dem Vorwärmer herausgeführt. Die Vorrichtung weist eine Brennkammer auf. Der Gasstrom aus dem Materialkühler wird zumindest teilweise durch die Brennkammer in den Calcinator geführt. Es kann einen weiteren Teilstrom geben, der beispielsweise direkt vom Materialkühler in den Calcinator geführt wird, es also einen Brennkammerbypass gibt. In der Brennkammer wird durch die Verbrennung von Erdgas, Wasserstoff, Kohle, Ammoniak oder Ersatzbrennstoffen, wie zum Beispiel Biomasse, Altreifen oder Hausmüll, die für den Prozess notwendige thermische Energie bereitgestellt. Derartige Anlagen sind für die thermische Behandlung von mineralischen Stoffen, insbesondere Tonen, bekannt.
• Erfindungsgemäß ist nun zwischen der Brennkammer und dem Calcinator eine Verweilzeitvorrichtung angeordnet. In der Brennkammer entstehen Schadstoffe, beispielsweise NO_x bei den Temperaturen der Verbrennung. Ebenso können hier Kohlenwasserstoffe und Kohlenwasserstoff-haltige Verbindungen aus dem Brennmaterial austreten. Üblicherweise ist die Brennkammer entweder innerhalb des Calcinators angeordnet, beispielsweise im Falle einer Erdgasbefeuerung oder direkt an dem Calcinator angeordnet, insbesondere für Ersatzbrennstoffe. Die direkte Verbindung sorgt zum einen für die Vermeidung von Wärmeverlusten und spart zusätzlich Investitionskosten und Bauraum. Daher erscheint es zunächst nicht vorteilhaft, die Brennkammer und den Calcinator räumlich zu trennen und dazwischen eine Verweilzeitvorrichtung anzuordnen. Jedoch ist es hierdurch möglich, eine Behandlung der Abgase aus der Brennkammer auf einem idealen Temperaturniveau vorzunehmen und sich so eine nachträgliche und energieintensive Abgasbehandlung zu sparen. Durch die Verweilzeitvorrichtung kann eine Trennung der Temperaturen für die Abgasbehandlung in der Verweilzeitvorrichtung und der thermischen Behandlung, beispielsweise des Tones, im Calcinator erreicht werden, wodurch sowohl für die Abgasbehandlung als auch für die thermische Behandlung jeweils ein geeignetes Temperaturfenster gewählt werden können. Insbesondere kann die Temperatur in der Verweilzeitvorrichtung höher gewählt werden als im Calcinator, sodass hier eine Verbrennung von C_xH_y insbesondere mit Sauerstoff erfolgen kann oder bei Anwesenheit von beispielsweise Ammoniak NO_x durch Synproportionierung von NO_x und NH₃ zu Stickstoff (und Wasser) umgesetzt werden kann. Die Art der Schadstoffe ist üblicherweise sehr stark von der Art des verwendeten Brennstoffs abhängig.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der Brennkammer und der Verweilzeitvorrichtung und/oder in der Verweilzeitvorrichtung eine Hilfsbrennvorrichtung angeordnet. Diese Ausführungsform ist bevorzugt, wenn die Brennkammer zur Verbrennung von Ersatzbrennstoffen ausgebildet ist. Ersatzbrennstoffe weisen üblicherweise eine größere Schwankung des Brennwertes auf. Die Hilfsbrennvorrichtung ist bevorzugt zur Verbrennung eines Brennstoffes ausgebildet, der eine schnelle und gezielt anpassbare Verbrennung ermöglicht. Die Hilfsbrennvorrichtung ist bevorzugt dazu ausgebildet einen Brennstoff zu verbrennen, der ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Kohlenstaub, Erdgas, Wasserstoff, Biogas und Ammoniak. Somit ist es möglich, Temperaturschwankungen, die durch Schwankungen des Brennmaterials in der Brennkammer entstehen, gezielt und schnell auszugleichen, sodass in der Verweilzeitvorrichtung eine stabile Temperatur gewährleistet ist und somit der Prozess des Schadstoffabbaus zuverlässig erfolgt.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Verweilzeitvorrichtung rohrförmig ausgebildet. Beispielsweise kann die rohrförmige Verweilzeitvorrichtung schwanenhalsförmig ausgebildet sein. Ebenso kann die rohrförmige Verweilzeitvorrichtung als aufgeweitete Rohrleitung ausgebildet sein. Die Verweilzeitvorrichtung kann optional mit einem oder mehreren Strömungseinbauten ausgestattet sein, die eine intensive Vermischung des Gases innerhalb der Einrichtung zu verbessern.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der Brennkammer und der Verweilzeitvorrichtung eine erste Reaktionsmittelzuführung angeordnet. Die Reaktionsmittelzuführung dient dazu, ein Reaktionsmittel zur Schadstoffumsetzung zuzuführen. Da die zu behandelnden Schadstoffe sehr stark von dem in der Brennkammer verbrannten Brennstoff abhängig sind, ist das Reaktionsmittel und damit die erste Reaktionsmittelzuführung in Abhängigkeit des in der Brennkammer zu verwendenden Brennstoffs auszuwählen.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die erste Reaktionsmittelzuführung zur Zuführung von Sauerstoff, beispielsweise auch in Form von Luft oder von im Materialkühler vorgewärmter Luft, ausgebildet. Sauerstoff wird als Reaktionspartner für die Umsetzung von Kohlenwasserstoff C_xH_y zu Wasser und Kohlendioxid benötigt.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die erste Reaktionsmittelzuführung zur Zuführung von verschiedenen Arten von Reduktionsmittel, beispielsweise Ammoniak, Harnstoff, deren Verbindungen oder Lösungen, insbesondere wässrige Lösungen, hieraus ausgebildet. Ammoniak oder Harnstoff können mit Stickoxiden NO_x zu Stickstoff synproportionieren.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung wenigstens einen ersten NO_x-Analysator auf. Der NO_x-Analysator dient zur Erfassung der NO_x-Konzentration. Üblicherweise wird als NO_x-Analysator eine Vorrichtung unter Nutzung der Infrarot-Spektroskopie verwendet. Der wenigstens eine erste NO_x-Analysator ist in einer Ausführungsform in der Verweilzeitvorrichtung oder zwischen der Verweilzeitvorrichtung und dem Calcinator angeordnet. Dieses hat den Vorteil einer unmittelbaren Rückmeldung und schnelleren Regelbarkeit. Zusätzlich oder alternativ kann der wenigstens eine erste oder ein zweiter NO_x-Analysator im oder hinter dem Vorwärmer angeordnet sein. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die Gase hier deutlich kühler sind, was die Messung vereinfacht. Der wenigstens eine erste oder ein zweiter NO_x-Analysator kann auch nach dem Calcinator oder sogar nach dem Vorwärmer angeordnet sein, da in diesen die Temperatur zu Bildung von NO_x nicht mehr hoch genug sein sollte, sodass somit auch dieser Wert für den NO_x-Gehalt in der Verweilzeitvorrichtung aussagekräftig ist.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung wenigstens einen ersten NH₃-Analysator auf. Der NH₃-Analysator dient zur Erfassung der NH₃-Konzentration im Gasstrom. Vorzugsweise werden mehrere NH₃-Analysatoren eingesetzt, um die Konzentration an unterschiedlichen Stellen im Wege des Abgasstroms zu ermitteln. Der beziehungsweise die wenigsten zwei NH₃-Analysaten befinden sich beispielsweise in unterschiedlichen Ebenen des Calcinators und regeln/steuern die Zugabe des Reaktionsmittels, um die Ausnutzung des Reaktionsmittels zu ermitteln und somit eine effektive Nutzung des Reaktionsmittels sicherzustellen. Der wenigstens eine NH₃-Analysator, vorzugsweise die wenigstens zwei NH₃-Analysatoren, befinden sich beispielsweise und bevorzugt in räumlicher Nähe des wenigstens einen NO_x-Analysators und/oder wenigstens einen Temperatursensors. Der beziehungsweise die NH₃-Analysatoren sind über wenigstens ein Dosiersystem mit entsprechenden Behältern, bevorzugt mit wenigstens einem Behälter für Ammoniak verbunden. So kann beispielsweise Ammoniak an unterschiedlichen Stellen und/oder Ebenen in gleicher oder unterschiedlicher Menge und/oder Konzentration in den Gasstrom eingedüst werden.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung wenigstens eine erste Steuervorrichtung auf. Die wenigstens eine erste Steuervorrichtung ist zum Auslesen des wenigstens einen ersten NO_x-Analysators ausgebildet. Die wenigstens eine erste Steuervorrichtung ist zum Ansteuern der ersten Reaktionsmittelzuführung ausgeführt und/oder einer optionalen zweiten Reaktionsmittelzuführung in Abhängigkeit von dem, durch wenigstens einen ersten NO_x-Analysator, erfassten NO_x-Wert ausgebildet und regelt die erste Reaktionsmittelzuführung und/oder die optionale mindestens eine weitere Reaktionsmittelzuführung, vorzugsweise in unterschiedlichen Ebenen und/oder mit mehreren Düsen, in Abhängigkeit des erfassten NO_x-Wertes. Hierdurch ist eine gezielte Zugabe des Reaktionsmittels, beispielsweise von Ammoniak, möglich, wodurch wiederum eine Überdosierung des Reaktionsmittels und damit verbunden eine Emission von beispielsweise Ammoniak vermieden werden kann.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung wenigstens eine erste Steuervorrichtung auf. Die wenigstens eine erste Steuervorrichtung ist zum Auslesen des wenigstens einen ersten NH₃-Analysators ausgebildet. Die wenigstens eine erste Steuervorrichtung ist zum Ansteuern der ersten Reaktionsmittelzuführung und/oder mindestens einer weiteren Reaktionsmittelzuführung in Abhängigkeit von dem, durch wenigstens einen ersten NH₃-Analysator, erfassten NH₃-Wertes ausgebildet und regelt die erste Reaktionsmittelzuführung und/oder die mindestens eine optionale zweite Reaktionsmittelzuführung in Abhängigkeit des erfassten NH3-Wertes. Hierdurch ist eine gezielte Zugabe des Reaktionsmittels, beispielsweise von Ammoniak, möglich, wodurch wiederum eine Überdosierung des Reaktionsmittels und damit verbunden eine Emission von beispielsweise Ammoniak vermieden werden kann.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung einen Temperatursensor auf. Temperatursensor ist im Sinne der Erfindung weit zu verstehen und umfasst jedes Sensorsystem zur Temperaturerfassung. Der Temperatursensor kann ein Thermoelement sein. Alternativ kann ein Temperatursensor auch ein akustischer Sensor sein, welcher die Temperatur über eine räumliche Strecke mittels der Schallgeschwindigkeit ermittelt.. Bevorzugt ist der Temperatursensor in der ersten Brennkammer, in der Verweilzeitvorrichtung oder zwischen der Brennkammer und der Verweilzeitvorrichtung angeordnet. Die Vorrichtung kann auch mehrere Temperatursensoren, insbesondere an den vorgenannten Positionen aufweisen.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung wenigstens eine erste Steuervorrichtung auf. Die wenigstens eine erste Steuervorrichtung ist zum Auslesen des Temperatursensors oder der Temperatursensoren ausgebildet. Die wenigstens eine erste Steuervorrichtung ist zum Ansteuern der ersten Reaktionsmittelzuführung und/oder einer mindestens optionalen zweiten Reaktionsmittelzuführung und/oder der Hilfsbrennvorrichtung in Abhängigkeit der von dem Temperatursensor erfassten Temperatur ausgebildet. Hierdurch ist eine gezielte Zugabe eines Brennstoffs möglich, wodurch wiederum eine exakte Anpassung der Temperatur an das gewünschte Temperaturfenster möglich ist.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die erste Reaktionsmittelzuführung für eine Zuführung mit einem Druck von 0,5 bar bis 5 bar ausgelegt.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist benachbart zur erste Reaktionsmittelzuführung eine erste Wasserzuführung angeordnet. Die Wassereindüsung durch die Wasserzuführung kann zur gezielten Temperatureinstellung genutzt werden, um das Temperaturniveau für die Schadstoffminimierung optimal einzustellen. Die Wasserzuführung dient üblicherweise nicht nur zur Zuführung von Wasser, üblicherweise werden wässrige Lösungen, insbesondere Prozessabwässer, verwendet, welche zusätzlich weitere Stoffe aufweisen können. Vorzugsweise ist der Brennwert der weiteren Stoffe nicht so hoch, dass dadurch der Kühleffekt, welcher durch die Verdunstung des Wassers entsteht, kompensiert wird. So können beispielsweise wässrige Lösungen mit einem Anteil organischer Verbindungen hier eingesetzt werden, da die organischen Verbindungen bei den herrschenden Bedingungen sicher umgesetzt werden.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung wenigstens eine erste Steuervorrichtung auf. Die wenigstens eine erste Steuervorrichtung ist zum Auslesen des Temperatursensors oder der Temperatursensoren ausgebildet. Die wenigstens eine erste Steuervorrichtung ist zum Ansteuern der Wasserzuführung in Abhängigkeit der von dem Temperatursensor erfassten Temperatur ausgebildet. Hierdurch ist eine gezielte Anpassung der Temperatur an das gewünschte Temperaturfenster möglich.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Verweilzeitvorrichtung eine Länge auf, sodass die Verweilzeit in der Verweilzeitvorrichtung zwischen 0,5 s und 10 s, insbesondere zwischen 1 s und 5 s, besonders bevorzugt von 1,5 s bis 2,5 s, liegt. Hierdurch wird ein geeignetes Fenster zwischen ausreichend Reaktionszeit sowie Wärmeverlust und Strömungswiderstand erreicht.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Calcinator und dem Materialkühler eine Reduktionsvorrichtung angeordnet. Eine Reduktionsvorrichtung dient zur Behandlung des thermisch behandelten Materials in einer reduzierenden Atmosphäre insbesondere zur Farboptimierung. Zur Bildung der reduzierenden Atmosphäre können beispielsweise Gase, Feststoffe und/oder Flüssigkeiten eingesetzt werden, die beispielsweise Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenmonoxid oder dergleichen oder entsprechende Verbindungen hieraus, beispielsweise Methan oder Ammoniak oder Mischungen hieraus sowie zusätzlich auch Inertgase, insbesondere Stickstoff, aufweisen. Die reduzierende Atmosphäre kann auch durch eine unterstöchiometrische Verbrennung (Unterschuss an Sauerstoff) erzeugt werden. Beispielsweise kann dadurch Fe^III zu Fe^II reduziert werden, was eine Farbreduktion des Produkts und damit eine erhöhte Marktakzeptanz zur Folge hat.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Verweilzeitvorrichtung einen Katalysator auf. Der Katalysator ist beispielsweise ein Platin-Rhodium-Katalysator, welcher für die Umsetzung von NO_x und NH₃ zu Stickstoff geeignet ist.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Verweilzeitvorrichtung wenigstens eine Umlenkung auf. Alternativ oder zusätzlich weist die Verweilzeitvorrichtung Strömungseinbauten zur Gasmischung auf. Insbesondere kann die Verweilzeitvorrichtung schwanenhalsförmig ausgeführt sein. Neben der kompakten räumlichen Anordnung führen die Umlenkungen zu einer Durchmischung. Zusätzlich können hierdurch auch Höhenunterschiede ausgeglichen werden, was eine kompakte Bauweise begünstigt.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Verweilzeitvorrichtung wenigstens eine zweite Reaktionsmittelzuführung auf. Die wenigstens zweite Reaktionsmittelzuführung ist zwischen der Brennkammer und der Verweilzeitvorrichtung oder an der Verweilzeitvorrichtung angeordnet und bevorzugt mit einer optionalen Steuereinrichtung verbunden. In einem ersten Fall sind die erste Reaktionsmittelzuführung und die wenigstens zweite Reaktionsmittelzuführung zur Zuführung des gleichen Reaktionsmittels ausgebildet. Beispielsweise können beide zur Zuführung von Ammoniak ausgebildet sein. Insbesondere sind somit die erste Reaktionsmittelzuführung und die wenigstens zweite Reaktionsmittelzuführung zueinander beabstandet. Dadurch kann die Konzentration, beispielsweise des Ammoniaks zum NO_x-Abbau, konstanter gehalten werden. In einem zweiten Fall dient die erste Reaktionsmittelzuführung zur Zuführung eines ersten Reaktionsmittels, beispielsweise NH₃ für den NO_x-Abbau, und die wenigstens zweite Reaktionsmittelzuführung zur Zuführung von wenigstens eines zweiten Reaktionsmittels, beispielsweise O₂ oder Luft für den C_xH_y-Abbau.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung einen SCR-Reaktor auf, wobei der SCR-Reaktor im Gasstrom hinter dem Vorwärmer angeordnet ist. Der SCR-Reaktor kann insbesondere als Backup-Lösung verwendet werden. Solange die erfindungsgemäße NO_x-Minderung ausreichend ist, wird der SCR-Reaktor beispielsweise nicht betrieben und damit die notwendige Energie eingespart.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung einen Bypass auf, wobei der Bypass zwischen der Brennkammer und dem Calcinator angeordnet ist. Der Bypass ist strömungstechnisch parallel zur Verweilzeitvorrichtung angeordnet. Somit wird ein erster Teilstrom durch die Verweilzeitvorrichtung geführt und ein zweiter Teilstrom wird durch den Bypass geführt. Hierdurch ist eine optimale Ausnutzung der zulässigen Emissionen möglich.
• In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Temperatur wird in der Verweilzeitvorrichtung zwischen 750 °C und 1300 °C gewählt. Insbesondere wird die Temperatur in der Verweilzeitvorrichtung zwischen 800 °C und 1100 °C, besonders bevorzugt zwischen 900 °C und 1050 °C, gewählt.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt eine thermische Behandlung von mineralischem Material, insbesondere Tonen oder tonartigen Substanzen.
• Nachfolgend ist die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
• 1 Vorrichtung
• In 1ist eine beispielhafte Vorrichtung schematisch dargestellt. Das zu behandelnde Material , zum Beispiel ein Ton, wird über eine Materialzuführung 110 dem Vorwärmer 10 zugeführt, vorgewärmt in den Calcinator 20 eingebracht, dort thermisch behandelt. Vom Calcinator 20 das Material in eine optionale Reduktionsvorrichtung 100, wird dort insbesondere farboptimiert und gelangt in den Materialkühler 30, aus dem dann das fertige Produkt über eine Produktentnahme 120 entnommen wird. Im Gegenstrom wird das Gas über eine Gaszufuhr 130 zunächst in den Materialkühler 30 geführt und dort durch das abzukühlende Produkt erwärmt. Das erwärmte Gas gelangt in die Brennkammer 40. Dort wird beispielsweise ein Ersatzbrennstoff, zum Beispiel Müll, verbrannt. Bei der Verbrennung können alleine aufgrund der Temperatur und der Anwesenheit von Stickstoff und Sauerstoff Stickoxide entstehen. Brennkammer (40) und Verweilzeitvorrichtung (50) sind bevorzugt mit Temperatursensoren ausgestattet. Des Weiteren sind die Gase beim Verlassen der Brennkammer 40 am heißesten, sodass sich dieser Zeitpunkt ideal eignet, um die Stickoxide wieder zu zersetzen. Um Schwankungen im Brennwert des Sekundärbrennstoffes auszugleichen, weist die Vorrichtung eine Hilfsbrennvorrichtung 60 (optional mehrere Hilfsbrennvorrichtungen 60) auf, welche beispielsweise mit Gas, flüssigem Brennstoff oder Kohlestaub betrieben wird und damit in der Lage ist, zuverlässig die Temperatur einzustellen. Zusätzlich weist die Anlage eine Wasserzuführung 62 auf, mit welcher Wasser zugeführt und damit die Temperatur in einfacher Weise gesenkt werden kann. Durch die Kombination aus Hilfsbrennvorrichtung 60 und Wasserzuführung 62 ergibt sich somit die Möglichkeit einer besonders gezielten Temperatureinstellung. Zusätzlich wird über eine erste Reaktionsmittelzuführung 70 eine Ammoniaklösung eingedüst. Dadurch kann in der Verweilzeitvorrichtung 50 eine Reaktion zwischen NO_x und NH₃ bei beispielsweise 1000 °C stattfinden. Um die Umsetzung vollständig zu machen und nicht einen Überschuss an Ammoniak zu erzeugen (und so eine neue Schadstoffquelle einzuführen), weist die Vorrichtung noch eine zweite Reaktionsmittelzuführung 72 auf, in der an einer späteren Stelle in der Verweilzeitvorrichtung 50 erneut Ammoniaklösung eingedüst wird. Zusätzlich sind in der Verweilzeitvorrichtung ein NO_x-Analysator 80 und ein NH₃-Analysator (82) angeordnet. Zusätzlich sind nach dem Vorwärmer ein NO_x-Analysator 80 und ein NH₃-Analysator (82) angeordnet. Die NO_x-Analysatoren 80 und die NH₃-Analysatoren (82) sind mit einer ersten Steuervorrichtung 90 verbunden, die in Abhängigkeit des vom NO_x-Analysator 80 erfassten NO_x-Gehalt und des vom NH₃-Analysator erfassten NH₃-Gehalt sowie des über Temperatursensoren erfassten Temperaturniveaus die Eindüsung von Ammoniaklösung durch die erste Reaktionsmittelzuführung 70 und die zweite Reaktionsmittelzuführung 72 regelt. Von dort gelangt das warme Gas, aber von NO_x befreit und mit nur geringen Gehalten an NH₃, in den Calcinator 20. Der Calcinator kann bei gewissen Produkten beispielsweise bei 750 °C betrieben werden, was wiederum zu gering wäre, um NO_x innerhalb des Calcinators 20 umzusetzen. Vom Calcinator 20 wird das Gas in den Vorwärmer 10 geführt, wo dieses seine Wärme an das zugeführte Material abgibt. Das Abgas des Vorwärmers 10wird dann über einen Gasablass 140 abgegeben und kann beispielsweise einer weiteren Behandlung, beispielsweise zur Entstaubung, zugeführt werden.
• Bezugszeichen

10

Vorwärmer

20

Calcinator

30

Materialkühler

40

Brennkammer

50

Verweilzeitvorrichtung

60

Hilfsbrennvorrichtung

62

Wasserzuführung

70

erste Reaktionsmittelzuführung

72

zweite Reaktionsmittelzuführung

80

NO_x-Analysator

82

NH₃-Analysator

90

Steuervorrichtung

100

Reduktionsvorrichtung

110

Materialzuführung

120

Produktentnahme

130

Gaszufuhr

140

Gasablass

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102011014498 A1 [0003]
• US 9458059 B2 [0004]

Claims (22)

1. Vorrichtung zur thermischen Behandlung von mineralischen Materialien, wobei die Vorrichtung wenigstens einen Vorwärmer (10), einen Calcinator (20) und einen Materialkühler (30) aufweist, wobei ein Feststoffstrom in den Vorwärmer (10), vom Vorwärmer (10) in den Calcinator (20), vom Calcinator (20) in den Materialkühler (30) und aus dem Materialkühler (30) heraus geführt wird, wobei ein Gasstrom in den Materialkühler (30), vom Materialkühler (30) in den Calcinator (20), vom Calcinator (20) in den Vorwärmer (10) und aus dem Vorwärmer (10) heraus geführt wird, wobei die Vorrichtung eine Brennkammer (40) aufweist, wobei der Gasstrom aus dem Materialkühler (30) zumindest teilweise durch die Brennkammer (40) in den Calcinator (20) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Brennkammer (40) und dem Calcinator (20) eine Verweilzeitvorrichtung (50) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Brennkammer (40) und der Verweilzeitvorrichtung (50) und/oder in der Verweilzeitvorrichtung (50) eine wenigstens eine Hilfsbrennvorrichtung (60) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Brennkammer (40) und der Verweilzeitvorrichtung (50) eine erste Reaktionsmittelzuführung (70) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die erste Reaktionsmittelzuführung (70) zur Zuführung von Ammoniak, Harnstoff, deren Verbindungen oder Lösungen hieraus ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens einen ersten NO_x-Analysator (80) aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 in Kombination mit Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens eine Steuervorrichtung (90) aufweist, wobei die wenigstens eine erste Steuervorrichtung (90) zum Auslesen des wenigstens eines ersten NO_x-Analysators (80) ausgebildet ist, wobei die wenigstens eine erste Steuervorrichtung (90) zum Ansteuern wenigstens einer ersten Reaktionsmittelzuführung (70) in Abhängigkeit von wenigstens einem ersten NO_x-Analysators (80) erfassten NO_x-Wertes durch Anpassung von Art und/oder Menge und/oder Konzentration des Reaktionsmittels ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens einen Temperatursensor aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6 in Kombination mit Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens eine erste Steuervorrichtung (90) aufweist, wobei die wenigstens eine erste Steuervorrichtung (90) zum Auslesen des Temperatursensors ausgebildet ist, wobei die wenigstens eine erste Steuervorrichtung (90) zum Ansteuern wenigstens einer ersten Reaktionsmittelzuführung (70) und/oder wenigstens einer Hilfsbrennvorrichtung (60) und/oder wenigstens einer Wasserzuführung (62) in Abhängigkeit vom Temperatursensors erfassten Temperatur durch Anpassung von Art und/oder Menge und/oder Konzentration des Reaktionsmittels ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens einen NH₃-Analysator aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8 in Kombination mit Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens eine Steuervorrichtung (90) aufweist, wobei die wenigstens eine erste Steuervorrichtung (90) zum Auslesen des wenigstens eines ersten NH₃-Analysators (82) ausgebildet ist, wobei die wenigstens eine erste Steuervorrichtung (90) zum Ansteuern von wenigstens einer ersten Reaktionsmittelzuführung (70) in Abhängigkeit von wenigstens einem ersten NH₃-Analysators (82) erfassten NH₃-Wertes durch Anpassung von Art und/oder Menge und/oder Konzentration des Reaktionsmittels ausgebildet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsmittelzuführung an wenigstens einer Zugabestelle, vorzugsweise wenigstens zwei Zugabestellen, in wenigstens einer Höhen-Ebene, vorzugsweise in wenigstens zwei unterschiedlichen Höhen-Ebenen, angebracht ist/sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Reaktionsmittelzuführung (70) für eine Zuführung mit einem Druck von 0,5 bar bis 5 bar ausgelegt ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart zur erste Reaktionsmittelzuführung (70) wenigstens eine erste Wasserzuführung (62) angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweilzeitvorrichtung (50) eine Länge aufweist, sodass die Verweilzeit in der Verweilzeitvorrichtung (50) zwischen 0,5 s und 10 s, insbesondere zwischen 1 s und 5 s, besonders bevorzugt von 1,5 s bis 2,5 s, liegt.
15. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Calcinator (20) und dem Materialkühler (30) eine Reduktionsvorrichtung (100) angeordnet ist.
16. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweilzeitvorrichtung (50) einen Katalysator aufweist.
17. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweilzeitvorrichtung (50) wenigstens eine Umlenkung und/oder Strömungseinbauten zur Gasmischung aufweist.
18. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweilzeitvorrichtung (50) wenigstens einer zweiten Reaktionsmittelzuführung (72) aufweist, wobei die zweite Reaktionsmittelzuführung (72) zwischen der Brennkammer (40) und der Verweilzeitvorrichtung (50) oder an der Verweilzeitvorrichtung (50) angeordnet ist.
19. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen katalytischen Reaktor aufweist, wobei der katalytische Reaktor im Gasstrom hinter dem Vorwärmer (10) angeordnet ist.
20. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in der Verweilzeitvorrichtung (50) zwischen 750 °C und 1300 °C gewählt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in der Verweilzeitvorrichtung (50) zwischen 900 °C und 1050 °C gewählt wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermische Behandlung von Tonen oder tonartigen Substanzen, erfolgt.

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