DE10343662B4

DE10343662B4 - Verfahren und Anlage zur Wärmebehandlung titanhaltiger Feststoffe

Info

Publication number: DE10343662B4
Application number: DE2003143662
Authority: DE
Inventors: Werner Stockhausen; Dirk Dipl.-Ing. Nuber; Ali-Naghi Dr. Beyzavi
Original assignee: Outokumpu Oyj
Current assignee: Metso Outotec Oyj
Priority date: 2003-09-18
Filing date: 2003-09-18
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2023-09-19
Also published as: CA2536990A1; AU2004272735A1; WO2005026397A3; BRPI0414521A; WO2005026397A2; ZA200601813B; DE10343662A1; UA86948C2; BRPI0414521B1; AU2004272735B2; CA2536990C

Abstract

Verfahren zur Wärmebehandlung von titanhaltigen Feststoffen, bei dem feinkörnige Feststoffe in einem Reaktor (4) mit zirkulierender Wirbelschicht auf eine Temperatur von 700 bis 1000° C erhitzt und teilweise zusammen mit Abgasen aus dem Reaktor (4) in einen nachgeschalteten Abscheider (9) ausgetragen werden, in welchem die Feststoffe von den Abgasen getrennt und zumindest teilweise und/oder phasenweise in den Reaktor (4) zurückgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reaktor (4) und/oder dem Abscheider (9) ein Einspritzkühler (13) mit einer Wirbelschicht nachgeschaltet ist, in welchem die Feststoffe durch Einspritzen eines Kühlmittels auf unter 250° C abgekühlt werden, und dass in den Einspritzkühler (13) Fluidisierungsgas mit einer derartigen Gasgeschwindigkeit eingebracht wird, dass die Partikel-Froude-Zahl in der Wirbelschicht zwischen 0,01 und 10, insbesondere zwischen 0,1 und 1 beträgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung titanhaltiger Feststoffe, bei dem feinkörnige Feststoffe in einem Reaktor mit zirkulierender Wirbelschicht auf eine Temperatur von 700 bis 1000° C erhitzt und teilweise zusammen mit Abgasen aus dem Reaktor in einen nachgeschalteten Abscheider ausgetragen werden, in welchem die Feststoffe von den Abgasen getrennt und zumindest teilweise und/oder phasenweise in den Reaktor zurückgeführt werden. Weiter betrifft die Erfindung eine entsprechende Anlage.

Ein solches Verfahren ist bspw. aus der US 4,076,796 bekannt. Derartige Verfahren und Anlagen werden u.a. für die magnetisierende Röstung von Ilmenit (X·TiO₂ Y·FeO Z·Fe₂O₃) eingesetzt. In der Vergangenheit wurde zur magnetisierenden Röstung von Ilmenit ein Reaktor mit stationärer Wirbelschicht eingesetzt, der jedoch nur einen kleinen Regelbereich und eine geringe Reaktionsdichte aufweist. Zudem ist bei der Verwendung eines Reaktors mit einer stationären Wirbelschicht nur ein vergleichsweise geringer Durchsatz in Bezug auf das Behältervolumen möglich. Auch die Temperatur- und Verweilzeitkontrolle ist bei derartigen Reaktoren mit stationärer Wirbelschicht häufig ungünstig.

Es ist daher bspw. aus der DE 44 37 549 C2 bekannt, Reaktoren mit einer zirkulierenden Wirbelschicht einzusetzen. Hierbei kann heiße Luft zur Fluidisierung der Feststoffe durch einen Düsenboden (Gasverteiler) in den Reaktor eingebracht werden.

Diese heiße Luft wird meist in einem externen Brenner erzeugt, in welchem bspw. Propan und Umgebungsluft verbrannt werden. Die mit den Abgasen aus dem Reaktor ausgetragenen Feststoffe werden in einem Abscheider von den Abgasen getrennt und zumindest teilweise in den Reaktor zurückgeführt. Zur Steuerung der Rückführung von Feststoffen aus dem Abscheider in den Reaktor wird ein sogenanntes "L-Ventil" eingesetzt, welches durch die Zufuhr von Gas regelbar ist.

Vor der Weiterverarbeitung des in dem Reaktor geröstetem Ilmenit ist es erforderlich, dass dieser abgekühlt wird. Hierzu ist es bspw. bekannt, einen Wirbelschichtkühler einzusetzen, in welchem die Produktwärme abgeführt wird. Bei diesen bekannten Verfahren und Anlagen ist es jedoch möglich, dass während der Kühlzeit Veränderungen in dem magnetisierend gerösteten Ilmenit auftreten, so dass die vorher erreichten positiven magnetischen Eigenschaften wieder verschlechtert werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereit zu stellen, bei welchem die Produktqualität verbessert wird und Veränderungen des Produkts nach der Wärmebehandlung weitgehend unterbunden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im Wesentlichen dadurch gelöst, dass dem Reaktor und/oder dem Abscheider ein Einspritzkühler nachgeschaltet ist, in welchem die Feststoffe durch Einspritzen eines Kühlmittels auf unter 250° C abgekühlt und ggf. in einem dem Einspritzkühler nachgeschalteten weiteren Kühler, bspw. einem Wirbelschichtkühler, weiter abgekühlt werden, wobei in den Einspritzkühler Fluidisierungsgas mit einer derartigen Gasgeschwindigkeit eingebracht wird, dass die Partikel-Froude-Zahl in der Wirbelschicht zwischen 0,01 und 10, insbesondere zwischen 0,1 und 1 beträgt. Bevorzugte Bereiche der Partikel-Froude-Zahl in der Wirbelschicht liegen auch zwischen 0,01 und 0,01, zwi schen 0,05 und 0,7 oder zwischen 0,5 und 4. Vorzugsweise beträgt die Partikel-Froude-Zahl am Boden des Wirbelschichtkühlers zwischen 0,1 und 0,25, insbesondere etwa 0,17. Am Kopf des Wirbelschichtkühlers beträgt die Partikel-Froude-Zahl vorzugsweise zwischen 0,35 und 0,55, insbesondere etwa 0,47.

Dabei sind die Partikel-Froude-Zahlen jeweils nach der folgenden Gleichung definiert:

mit

u: = effektive Geschwindigkeit der Gasströmung in m/s
p_f: = effektive Dichte des Fluidisierungsgases in kg/m³
p_s: = Dichte eines Feststoffpartikels in kg/m³ (scheinbare Dichte)
d_p: = mittlerer Durchmesser der beim Reaktorbetrieb vorliegenden Partikel des Reaktorinventars (bzw. der sich bildenden Sekundäragglomerate) in m
g: = Gravitationskonstante in m/s².

Bei der Anwendung dieser Gleichung gilt zu berücksichtigen, dass d_p nicht den mittleren Durchmesser (d_50) des eingesetzten Materials bezeichnet, sondern den mittleren Durchmesser des sich während des Betriebs des Reaktors bildenden Reaktorinventars, welcher von dem mittleren Durchmesser des eingesetzten Material (Primärteilchen) signifikant abweichen kann.

Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird das aus dem Reaktor bzw. dem Abscheider entnommene Produkt zunächst in dem Einspritzkühler in sehr kurzer Zeit stark auf bspw. etwa 100 bis 200° C abgekühlt. Veränderungen in dem magnetisierend gerösteten Ilmenit während der Kühlungszeit lassen sich auf diese Weise weitgehend vermeiden. Durch die rasche Kühlung kann folglich eine besonders hohe Produktqualität des magnetisierend gerösteten Ilmenits erreicht werden. Diese hohe Produktqualität sichert einen hohen Abscheidungsgrad bei einer nachfolgenden Magnetscheidung. Durch den großen Temperaturbereich während der Abkühlung ist es erforderlich, nicht nur auf die Veränderungen im Produkt zu achten, sondern auch die zur Fluidisierung in den Einspritzkühler eingebrachte Gasmenge und -geschwindigkeit richtig einzustellen, damit sich die Wirbelschicht nicht zu stark ausdehnt, wenn das eingespritzte Kühlmittel verdampft. Erfindungsgemäß wird die Gasgeschwindigkeit des Fluidisierungsgases in dem Einspritzkühler daher so gewählt, dass sich eine vergleichsweise dichte Wirbelschicht einstellt. Die Wirbelschicht ist dabei am Boden des Einspritzkühlers dichter als am Kopf des Einspritzkühlers, da dort das eingespritzte Kühlmittel verdampft. In dem dem Einspritzkühler nachgeschalteten Wirbelschichtkühler wird die im Prozess nicht mehr nutzbare Produktwärme abgeführt.

Vorzugsweise wird als Kühlmittel Wasser in den Einspritzkühler eingespritzt. Der Gasanteil in der Wirbelschicht des Einspritzkühlers kann dann zwischen 50 und 70 %, insbesondere etwa 60 % Wasserdampf enthalten.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können alle Arten von titanhaltigen Erzen, insbesondere auch solche, welche zusätzlich Eisenoxide enthalten, effektiv wärmebehandelt werden. Insbesondere ist das Verfahren zur magnetisierenden Röstung von Ilmenit geeignet. Die mittlere Partikelgröße (d_50) der dem Reaktor zugeführten Feststoffe beträgt vorzugsweise zwischen 75 und 250 μm, insbesondere etwa zwischen 100 und 150 μm. Die maximale Korngröße der dem Reaktor zugeführten Feststoffe liegt bei etwa 2 mm, vorzugsweise bei weniger als 250 μm. Die Korngröße des in dem Reaktor magnetisierend gerösteten Ilmenits liegt vorzugsweise in den gleichen oben angegebenen Bereichen.

Die Erzeugung der für den Reaktorbetrieb notwendigen Wärmemenge kann auf jede dem Fachmann zu diesem Zweck bekannte Weise erfolgen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dem Reaktor Brennstoff zuzuführen, durch dessen Verbrennung innerhalb des Reaktors mit einem sauerstoffhaltigen Gas die für die Wärmebehandlung erforderliche Wärmemenge vollständig oder zumindest teilweise generiert wird. Bei der letztgenannten Alternative kann der andere Teil der erforderlichen Wärmemenge dann über die Zufuhr heißer Gase oder vorgewärmten Feststoffes abgedeckt werden. Es wird bevorzugt, wenn ein gasförmiger Brennstoff, vorzugsweise Erdgas, durch z.B. seitliche Lanzen und/oder Bodendüsen und als Fluidisierungsgas Luft in den Reaktor eingeführt wird. Bei dieser magnetisierenden Röstung mit Luft wird die Produktqualität durch den Sauerstoffgehalt beeinflusst. Es wird daher bevorzugt, wenn das aus dem Reaktor in den Abscheider ausgetragene Abgas einen Sauerstoffgehalt zwischen 3 und 10 %, insbesondere etwa 5 % aufweist.

Eine besonders gute Produktqualität kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht werden, wenn die Verweilzeit der Feststoffe in dem Reaktor zwischen 10 und 30 Minuten, insbesondere etwa 20 Minuten beträgt. Die Partikel-Froude-Zahl kann dabei in dem Reaktor in einem Bereich von etwa 0,3 bis 30, insbesondere zwischen 0,5 und 15, liegen.

Der Energiebedarf des Verfahrens kann dadurch reduziert werden, dass zumindest ein Teil des Abgases des Reaktors in dem Abscheider weitgehend von Feststoffen getrennt und einer dem Reaktor vorgeschalteten Vorwärmstufe zugeführt wird. Die Vorwärmstufe kann bspw. aus einem Wärmetauscher, wie einem Venturitrockner, und einem Abscheider, wie einem Zyklon oder dgl., bestehen. Die dem Reaktor zugeführten Feststoffe werden auf diese Weise getrock net und vorgewärmt, wodurch die Wärmebehandlung in dem Reaktor erleichtert wird. Auch eine mehrstufige Feststoffvorwärmung ist möglich, wobei das Abgas des Reaktors stufenweise gekühlt wird.

In Weiterbildung dieses Erfindungsgedankens ist es vorgesehen, dass die Abgase des Reaktors gemeinsam mit den bspw. mit Wasserdampfbeladenen Abgasen des Einspritzkühlers in einer der Vorwärmstufe nachgeschalteten Abgasreinigungsstufe gereinigt werden. Die Gase können dann ggf. wieder in das Verfahren zurückgeführt werden.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Rückführung von Feststoffen aus dem Abscheider in den Reaktor selbstregulierend erfolgt. Auf diese Weise kann eine intensive interne und externe Rückmischung der in dem Reaktor behandelten Feststoffe erfolgen, so dass ein gleichmäßiges Temperatur- und Reaktionsprofil in dem Reaktor erreicht wird.

Eine erfindungsgemäße Anlage, welche insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens geeignet ist, weist einen Reaktor mit zirkulierender Wirbelschicht auf, dem ein Abscheider nachgeschaltet ist. Dem Reaktor und/oder dem Abscheider sind weiter ein Einspritzkühler und diesem wiederum ein separater Wirbelschichtkühler nachgeschaltet. In dem Einspritzkühler kann das Produkt durch Einspritzen von bspw. Wasser schnell, d.h. innerhalb weniger Sekunden, auf Temperaturen zwischen z.B. 100 und 200° C abgekühlt werden. Diese rasche erste Abkühlung ist für die Produktqualität entscheidend, da bspw. bei der magnetisierenden Röstung von Ilmenit während einer zu langen Kühlzeit Veränderungen in dem Produkt möglich sind. Die Endkühlung des Produktes erfolgt dann in dem separaten Wirbelschichtkühler, welcher dem Einspritzkühler nachgeschaltet ist.

Vorzugsweise sind in dem Wirbelschichtkühler Kühlwendel vorgesehen, durch welche im Gegenstrom ein Kühlmittel geleitet wird. Diese Kühlwendel können bspw. zu Kühlbündeln zusammengefasst sein.

Die in dem Prozess nicht nutzbare Produktwärme kann in dem Wirbelschichtkühler besonders effektiv abgeführt werden, wenn dieser zwei oder mehr Kammern aufweist, durch deren Boden mittels eines Gebläses Fluidisierungsgas eingebracht wird. Dabei dient das Fluidisierungsgas einerseits zur Kühlung des Produkts und bewirkt gleichzeitig eine intensive Durchmischung der zu kühlenden Feststoffe.

Zur Einstellung der für die Wärmebehandlung des Feststoffs notwendigen Temperaturen weist der Reaktor vorzugsweise eine in diesen mündende bspw. seitliche Lanzenanordnung und/oder Bodendüsen auf, welche mit einer Zufuhrleitung für insbesondere gasförmigen Brennstoff verbunden sind. Der Brennstoff wird auf diese Weise direkt in dem Reaktor in Anwesenheit des Feststoffes verbrannt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Reaktor und dem Abscheider eine selbstregulierende U-förmige Dichtung vorgesehen, mit welcher die Zufuhr von Feststoffen aus dem Abscheider in den Reaktor gesteuert wird. Eine aufwendige Steuerungsanlage, bspw. mittels eines aus dem Stand der Technik bekannten L-Ventils ist somit entbehrlich.

Um den Energiebedarf der Anlage zu senken, kann dem Reaktor eine Vorwärmstufe vorgeschaltet sein, in welcher die Feststoffe getrocknet und vorgewärmt werden. Die Vorwärmstufe weist dabei einen Trockner auf, der mit der Abgasleitung des dem Reaktor nachgeschalteten Abscheiders verbunden ist, so dass die in dem Reaktor durch Innenverbrennung des Brennstoffs erzeugte Wärme zur Vortrocknung der Feststoffe genutzt werden kann.

Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.

Die einzige Figur zeigt ein Prozessdiagramm eines Verfahrens und einer Anlage gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

Bei dem in der Figur dargestellten Verfahren, welches insbesondere zur magnetisierenden Röstung von titanhaltigen Feststoffen, wie bspw. Ilmenit, geeignet ist, wird über eine Eintragschnecke 1 feuchter Feststoff in eine Vorwärmstufe eingebracht. Diese Vorwärmstufe umfasst einen Venturitrockner 2, in welchem das Rohmaterial suspendiert, getrocknet und vorgewärmt wird, und einen dem Venturitrockner 2 nachgeschalteten Abscheider 3 bspw. einem Zyklon. Die in dem Abscheider 3 von Abgasen abgeschiedenen Feststoffe werden einem Reaktor 4 aufgegeben.

Der Reaktor 4 ist als ein Wirbelschichtreaktor mit zirkulierender Wirbelschicht ausgebildet. Zur Fluidisierung der Feststoffe sind in dem Reaktor 4 Bodendüsen vorgesehen, durch welche Luft mittels eines Gebläses 5 eingebracht wird. Über seitliche Lanzen 6 wird dem Reaktor 4 Erdgas zugeführt, welches zusammen mit der Fluidisierungsluft in dem Reaktor verbrennt. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann über eine Leitung 7 Brennstoff mittels Bodendüsen in den Reaktor 4 eingebracht werden.

In dem Wirbelschichtreaktor 4 werden die Feststoffe von dem Fluidisierungsgas nach oben getragen. Ein Teil der Feststoffe regnet in dem Reaktor aus und wird dadurch in die zirkulierende Wirbelschicht zurückgeführt, um durch das Fluidisierungsgas erneut nach oben getragen zu werden. Der andere Teil der Feststoffe wird zusammen mit einem Abgasstrom aus dem Reaktor 4 nach oben durch eine Leitung 8 ausgetragen und in einem nachgeschalteten Abscheider 9, bspw. einem Zyklon, zum größten Teil von dem Gasstrom getrennt. Durch eine Leitung 10 werden die Feststoffe aus dem Abscheider 9 in den Wirbelschichtreaktor 4 zurückgeführt. Durch diese intensive interne und externe Rückmischung wird ein besonders gleichmäßiges Temperatur- und Reaktionsprofil in dem Wirbelschichtreaktor 4 erreicht.

Die Steuerung des Anteils der Feststoffe, welche aus dem Abscheider 9 in den Wirbelschichtreaktor 4 zurückgeführt werden, erfolgt über eine selbstregulierende U-förmige Dichtung 11, welche in der Leitung 10 vorgesehen ist. Dadurch kann auf eine Steuer- oder Regeleinheit zur Dosierung der in den Wirbelschichtreaktor 4 zurückgeführten Feststoffmenge verzichtet werden.

Die Gase, welche den Wirbelschichtreaktor 4 gemeinsam mit Feststoffen durch die Leitung 8 verlassen, sind durch die Innenverbrennung von Brennstoff in dem Reaktor 4 erhitzt. Der von den Feststoffen in dem Abscheider 9 getrennte Gasstrom wird dem Venturitrockner 2 zugeleitet, so dass der Wärmeinhalt des den Abscheider 9 verlassenden Gasstromes zur Trocknung und Vorwärmung der Feststoffe genutzt wird.

Aus dem Wirbelschichtreaktor 4 und/oder aus dem Abscheider 9 werden heiße Feststoffe entnommen und über Leitungen 12a bzw. 12b einem Einspritzkühler 13 zugeleitet. In dem Einspritzkühler 13 werden die heißen Feststoffe in einem stationären Wirbelbett fluidisiert. Hierzu wird über ein Gebläse 14 Luft als Fluidisierungsgas in den Einspritzkühler 13 eingebracht. Die Gasgeschwindigkeit des Fluidisierungsgases ist dabei so gewählt, dass die Fluidisierung in dem Einspritzkühler 13 niedrig ist, so dass sich das stationäre Wirbelbett nur wenig aus dehnt. Gleichzeitig wird über eine Leitung 15 Wasser als Kühlmittel in den Einspritzkühler 13 eingespritzt. Das Wasser verdampft dabei in dem Einspritzkühler 13, so dass sich die stationäre Wirbelschicht im oberen Bereicht des Einspritzkühlers 13 im Vergleich zu dem Bodenbereich des Einspritzkühlers stärker ausdehnt. Durch das Einspritzen des Wassers wird das heiße Produkt rasch auf Temperaturen von bspw. unter 200° C abgekühlt.

Dem Einspritzkühler 13 ist ein separater Wirbelschichtkühler 16 nachgeschaltet, in welchem die im Prozess nicht mehr nutzbare Produktwärme abgeführt wird. Der Wirbelschichtkühler weist in der dargestellten Ausführungsform zwei Kammern 16a und 16b auf, in welchen bspw. Wasser als Kühlmittel im Gegenstrom durch schematisch angedeutete Kühlwendel 17 geführt wird, wodurch das Produkt weiter bis auf die notwendige Temperatur für die weitere Verarbeitung, wie bspw. die Magnetscheidung, gekühlt wird. Über ein Gebläse 18 wird Luft in die beiden Kammer 16a und 16b des Wirbelschichtkühlers 16 eingebracht, um das Produkt zu fluidisieren und zu kühlen. Das gekühlte Produkt wird dann über eine Leitung 19 der weiteren Verarbeitung zugeführt.

Der Abscheider 3 der Vorwärmstufe, der Einspritzkühler 13 sowie der Wirbelschichtkühler 16 sind über Leitungen mit einer Abgasreinigungsstufe 20 verbunden, die bspw. einen Schlauchfilter aufweist. In dieser Abgasreinigungsstufe 20 werden die teilweise Feststoffe enthaltenden und/oder wasserdampfhaltigen Gasströme gereinigt. Die Feststoffe können über eine Leitung 21 aus der Abgasreinigungsstufe 20 in den Wirbelschichtkühler 16 eingetragen werden.

Beispiel (magnetisierende Röstung von Ilmenit)

In einer in der Figur dargestellten Anlage zum magnetisierenden Rösten von Ilmenit wurden 43 t/h feuchter Ilmenit aus einem Vorratsbunker über die Eintragschnecke 1 in den Venturitrockner 2 eingebracht. Der feuchte Ilmenit wurde in dem Venturitrockner 2 durch heiße Abgase aus dem Abscheider 9 suspendiert, getrocknet und vorgewärmt. In dem Zyklon 3, welcher dem Venturitrockner 2 nachgeschaltet ist, wurde der getrocknete und vorgewärmte Ilmenit von dem Gasstrom getrennt und in den Reaktor 4 mit zirkulierender Wirbelschicht eingebracht.

Das Abgas des Zyklons 3 wurde der Abgasreinigungsstufe 20 zugeführt, dort von Feststoffen befreit und zu einem Kamin geführt. Der in der Abgasreinigungsstufe 20 abgeschiedene trockene Ilmenit-Staub wurde durch die Leitung 21 in den Wirbelschichtkühler 16 geleitet.

Über das Gebläse 5 wurden 13.000 Nm³/h Luft zur Fluidisierung in den Wirbelschichtreaktor 4 eingebracht. Gleichzeitig wurde rund 700 Nm³/h Erdgas über die seitlichen Lanzen 6 sowie die Leitung 7 dem Reaktor 4 zugeführt und in der Wirbelschicht zusammen mit der Luft verbrannt. Das entstehende Heißgas erwärmte den eingetragenen Ilmenit in dem Wirbelschichtreaktor 4 auf etwa 900° C, wobei die Partikel-Froude-Zahl in dem Reaktor etwa 1,2 betrug. Durch Sauerstoffüberschuss in dem Reaktor 4 wurde bei Verweilzeiten der Feststoffe zwischen 10 und 30 Minuten eine partielle Röstung des Ilmenits erreicht. Der Sauerstoffgehalt im Kopf des Reaktors 4 betrug nach der Röstung zwischen 3 und 10 %.

Die Feststoffe wurden gemeinsam mit den Abgasen des Reaktors 4 in den Abscheider 9 transportiert, dort abgeschieden und zum größten Teil durch die Leitung 10 in den Reaktor 4 zurückgeführt. Eine Ilmenit-Produktmenge, die der in den Reaktor 4 eingetragenen Menge entspricht, wurde durch die Leitungen 12a bzw. 12b dem Einspritzkühler 13 zugeführt. Dabei betrug die durchschnittliche Partikelgröße (d_50) sowohl des in den Reaktor 4 eingebrachten Ilmenits als auch des gerösteten Ilmenits etwa 100 bis 150 μm bei einer maximalen Korngröße von etwa 250 μm.

Der Einspritzkühler 13 wurde als stationäre Wirbelschicht betrieben, in dem über das Gebläse 14 etwa 6300 Nm³/h Fluidisierungsluft in den Einspritzkühler 13 zugeführt wurden. Gleichzeitig wurde über die Leitung 15 etwa 8 m³/h Wasser in den Einspritzkühler 13 eingebracht, so dass das heiße Ilmenit innerhalb weniger Sekunden auf etwa 150° C abgekühlt wurde. Durch das verdampfende Wasser betrug der Wasserdampf etwa 60 % der gesamten Gasmenge in der Wirbelschicht des Einspritzkühlers 13. Die Gasgeschwindigkeit der über das Gebläse 14 eingebrachten Fluidisierungsluft wurde so gewählt, dass die Partikel-Froude-Zahl am Boden des Einspritzkühlers 13 etwa 0,17 und am Kopf des Einspritzkühlers etwa 0,47 betrug.

Die Endkühlung des Produktes erfolgte in den beiden Kammern 16a und 16b des Wirbelschichtkühlers 16. Zur Fluidisierung wurde etwa 6000 Nm³/h Luft über das Gebläse 18 über den Wirbelschichtkühler 16 eingebracht. Gleichzeitig wurde Kühlwasser im Gegenstrom durch die Leitung 17 durch die Kammern 16a und 16b geführt. Die Leitung 17 wies dabei in den Kammern 16a und 16b Kühlbündel auf.

Der Ilmenit konnte auf diese Weise magnetisierend geröstet werden, wobei durch die rasche Abkühlung keine Veränderungen während der Kühlzeit festgestellt wurden, so dass der geröstete Ilmenit eine hohe Produktqualität aufwies.

1: Eintragschnecke
2: Venturitrockner
3: Zyklon
4: Wirbelschichtreaktor
5: Gebläse
6: Lanze
7: Leitung
8: Leitung
9: Abscheider
10: Leitung
11: U-förmige Dichtung
12a, 12b: Leitung
13: Einspritzkühler
14: Gebläse
15: Leitung
16: Wirbelschichtkühler
16a, 16b: Kammer
17: Leitung
18: Gebläse
19: Leitung
20: Abgasreinigungsstufe
21: Leitung

Claims

Verfahren zur Wärmebehandlung von titanhaltigen Feststoffen, bei dem feinkörnige Feststoffe in einem Reaktor (4) mit zirkulierender Wirbelschicht auf eine Temperatur von 700 bis 1000° C erhitzt und teilweise zusammen mit Abgasen aus dem Reaktor (4) in einen nachgeschalteten Abscheider (9) ausgetragen werden, in welchem die Feststoffe von den Abgasen getrennt und zumindest teilweise und/oder phasenweise in den Reaktor (4) zurückgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reaktor (4) und/oder dem Abscheider (9) ein Einspritzkühler (13) mit einer Wirbelschicht nachgeschaltet ist, in welchem die Feststoffe durch Einspritzen eines Kühlmittels auf unter 250° C abgekühlt werden, und dass in den Einspritzkühler (13) Fluidisierungsgas mit einer derartigen Gasgeschwindigkeit eingebracht wird, dass die Partikel-Froude-Zahl in der Wirbelschicht zwischen 0,01 und 10, insbesondere zwischen 0,1 und 1 beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel-Froude-Zahl am Boden des Einspritzkühlers (13) zwischen 0,1 und 0,25, insbesondere etwa 0,17, beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel-Froude-Zahl am Kopf des Einspritzkühlers (13) zwischen 0,35 und 0,55, insbesondere etwa 0,47, beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasanteil der Wirbelschicht in dem Einspritzkühler (13) 50 bis 70 %, insbesondere etwa 60 % Wasserdampf enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Einspritzkühler (13) ein Wirbelschichtkühler (16) nachgeschaltet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsmaterial Ilmenit eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Reaktor (4) zugeführten Feststoffe eine mittlere Korngröße (d_50) zwischen 75 und 250 μm, insbesondere zwischen 100 und 150 μm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Reaktor (4) zugeführten Feststoffe eine maximale Korngröße von 2 mm, insbesondere von weniger als 250 μm aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reaktor (4) Brennstoff zugeführt wird, durch dessen Verbrennung in dem Reaktor (4) mit einem sauerstoffhaltigen Gas zumindest ein Teil der für die thermische Behandlung erforderlichen Wärmemenge erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass gasförmiger Brennstoff, vorzugsweise Erdgas, durch Lanzen (6) und/oder durch Bodendüsen und als Fluidisierungsgas Luft in den Reaktor (4) eingeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Reaktor (4) in den Abscheider (9) ausgetragene Abgas einen Sauerstoffgehalt zwischen 3 und 10 %, insbesondere etwa 5 % aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durchschnittliche Verweilzeit der Feststoffe in dem Reaktor (4) zwischen 10 und 30 min, insbesondere etwa 20 min. beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Abgases des Reaktors (4) in dem Abscheider (9), weitgehend von Feststoffen getrennt und einer dem Reaktor (4) vorgeschalteten Vorwärmstufe (2, 3) mit einem Trockner (2) und einem Abscheider (3) zur Trocknung und Vorwärmung der dem Reaktor (4) zuzuführenden Feststoffe zugeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgase des Reaktors (4) gemeinsam mit den mit Wasserdampf beladenen Abgasen des Einspritzkühlers (13) in einer der Vorwärmstufe (2, 3) nachgeschalteten Abgasreinigungsstufe (20) gereinigt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung von Feststoffen aus dem Abscheider (9) in den Reaktor (4) selbstregulierend erfolgt.
Anlage zur Durchführung eines Verfahrens zur Wärmebehandlung von titanhaltigen Feststoffen nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Reaktor (4) mit zirkulierender Wirbelschicht, dem ein Abscheider (9) nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reaktor (4) und/oder dem Abscheider (9) ein Einspritzkühler (13) und diesem ein separater Wirbelschichtkühler (16) nachgeschaltet ist.
Anlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirbelschichtkühler (16) Kühlwendel aufweist, durch welche im Gegenstrom ein Kühlmittel geleitet wird.
Anlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirbelschichtkühler (16) zwei oder mehr Kammern (16a, 16b) aufweist, durch deren Boden mittels eines Gebläses (18) Fluidisierungsgas eingebracht wird.
Anlage nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (4) eine in diesen mündende Lanzenanordnung (6) und/oder Bodendüsen aufweist, welche mit einer Zufuhrleitung (7) für insbesondere gasförmigen Brennstoff verbunden sind.
Anlage nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Reaktor (4) und dem Abscheider (9) eine selbstregulierende U-förmige Dichtung (11) zur Steuerung der Zufuhr von Feststoffen aus dem Abscheider in den Reaktor vorgesehen ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reaktor (4) eine Vorwärmstufe (2, 3) für die Feststoffe vorgeschaltet ist, deren Trockner (2) mit der Abgasleitung des dem Reaktor (4) nachgeschalteten Abscheiders (9) verbunden ist.