DE2641292A1

DE2641292A1 - Calcinierung nach dem wirbelschichtverfahren teilchenfoermiger materialien

Info

Publication number: DE2641292A1
Application number: DE19762641292
Authority: DE
Inventors: Donald Macaskill
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-03-31
Filing date: 1976-09-14
Publication date: 1978-03-16
Also published as: US3995987A; DE2641292C2; AU1768276A; AU504540B2

Description

Calcinierung nach dem Wirbelschichtverfahren teilchenförmiger
Materialien Die Erfindung betrifft die Wärmebehandlung von teilchenförmigen Materialien und insbesondere, aber nicht ausschließlich, die Calcinierung von Erzen, Niederschlägen, Konzentraten und Rückständen. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar für die Calcinierung nach dem Wirbelschichtverfahren von Phosphaten, Kalkstein, Aluminiumsilicaten, Erdalkalimineralien und -schlämmen und dergleichen.
Die Wärmebehandlung bei Temperaturen unter dem Schmelzpunkt, zum Beispiel die Calcinierung von teilchenförmigen Materialien in einer vertikalen Wirbelschicht, ist bekannt. Solch eine Wirbelschicht wird gebildet, wenn ein Wirbelschichtgas durch eine Schicht fester Teilchen geeigneter Größe mit einer Geschwindigkeit aufwärts strömt, die ausreichend hoch ist, um die Teilchen in der Schwebe zu halten, den Einfluß der Schwerkraft auf sie zu überwinden und ihnen das Erscheinungsbild großer Turbulenz zu verleihen. In einigen Beispielen kann das zur Bildung der Wirbelschicht verwendete Wirbelschichtgas Luft sein. Das Wirbelschichtgas enthält vorteilhafter Hitze erzeugende Komponenten, Brennstoffe beispielsweise, die die Wärme liefern, um die Calcinierung in der Wirbelschicht zu erzielen.
Das Heizen der Wirbelschicht kann entweder durch Verwendung heißer Verbrennungsgase als Wirbelschichtgas erreicht werden oder durch Verbrennen eines Brennstoffs in der Wirbelschicht selbst. Zu den bekannten Vorteilen des letzteren Verfahrens gehört, daß viele Beschränkungen bezüglich der Art der Materialien beseitigt sind, die für die Herstellung des Wirbelschichtgitters (Verteilerplatte) benutzbar sind. Wenn die Hitze beispielsweise durch Verbrennen von Brennstoff in der Wirbelschicht erzeugt wird, braucht das Gitter nicht hohe Temperaturen auszuhalten. Außerdem liefert die Verbrennung von Brennstoff in der Schicht eine gleichmäßigere Temperaturverteilung innerhalb der Wirbelschicht, wodurch eine gleichmäßigere Wärmebehandlung erreicht wird.
Die Kombination der Wirbelschichttechnologie und der direkten Calcinierung (flash calcining) ist bisher bei der Behandlung von Aluminiumoxid zur Erhöhung der Anlagenkapazität verwendet worden. Diese Technologie ist bisher nicht auf die Behandlung von Rohphosphat, Kalkstein und andere Materialien angewandt worden, die so hitzeempfindlich sind, daß überhöhte Temperaturen (oder ungenügende Verweilzeit) nicht ausreichend calcinierte Produkte ergeben könnten. Außerdem wird in herkömmlichen Einheiten, die die Wirbelschichtmethode für die Calcinierung verwenden, die gesamte Wärmebehandlung in einem Gefäß durchgerührt mit verschiedenen anderen Gefäßen, die bloß zur Rückgewinnung der Wärme dienen. Da die Calcinierung so stark endotherm ist, muß Wärme sowohl zugeführt werden, um die Reaktionstemperatur aufrecht zu erhalten, als auch um dem Wärmebedarf der Reaktion zu genügen. Als Folge davon verwenden herkömmliche Systeme große Überschüsse an Luft, häufig mehr als 30 6b Überschuß, mit einem sich daraus ergebenden Verlust im thermischen Wirkungsgrad. Weiterhin sind solche herkömmlichen vertikalen Wirbelschichtsysteme gewöhnlich auf eine Brennstoffart begrenzt und die damit verbundene Mindesttemperatur der Wirbelschicht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Calcinierungssystem nach dem Wirbelschichtverfahren zu schaffen, das geeignet ist, bei hohen Kapazitäten betrieben zu werden, während unkontrollierbare hohe Temperaturen vermieden werden, die bisher der direkten Calcinierung anhafteten. Durch Beseitigung der vertikalen Schichtung bietet das erfindungsgemäße System die Flexibilität, die Verweilzeit den Erfordernissen des einzelnen Materials, das wärmebehandelt wird, anzupassen, Die Erfindung sieht ein mehrstufiges Calcinierungssystem vor, bei dem unterschiedliche Bedingungen in jeder Calcinierungsstufe angewandt werden, so daß Qualität, Kapazität und Temperaturkontrolle maximiert werden können. Es wird von den Unterschieden der Entzündungstemperaturen von Brennstoffen Gebrauch gemacht.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Calcinierung von Materialien wie Erzen, Niederschlägen, Konzentraten und Rückständen vorgeschlagen, bei dem Hydrate, Carbonate und dergleichen zersetzt werden, während flüchtige Stoffe ausgetrieben werden. Das Verfahren ist durch folgende Schritte gekennzeichnet: Einführen des Materials in eine erste Wirbelschichtstufe mit hoher Kapazität; Bereitstellen eines Brennstoffs von der Art und in einer Menge, die ausreichen, um das Material auf etwa 5930C zu erhitzen; Überführen des erhitzten Materials von der ersten Stufe in eine zweite Wirbelschichtstufe; Bereitstellen eines Brennstoffs von der Art und in einer Menge, die ausreichen, um die Temperatur des erhitzten Materials unter genau kontrollierten Bedingungen entsprechend den Anforderungen des Verfahrens zu erhöhen; Rückgewinnen des erhitzten Materials aus der zweiten Stufe.
Die vorliegende Erfindung stellt ein System dar, das wenigstens zwei getrennte Wirbelschichtreaktoren verwendet und bei dem das anfängliche Erhitzen bei niedriger Temperatur (bei etwa 593 C, 11000F) in einer ersten Stufe durchgeführt wird, während das weitere für das Verfahren erforderliche Erhitzen bei höherer Temperatur in einer zweiten oder nachfolgenden Stufe durchgeführt wird. Ein Ergebnis dieser Modifizierung besteht darin, daß Brennstoffe für jede der Stufen in Übereinstimmung mit den Temperaturanforderungen der jeweiligen Stufe ausgesucht werden können, wodurch gewährleistet wird, daß jeder Brennstoff einer ziemlich vollständigen Verbrennung unterworfen wird. Auf diese Weise kann die erste Stufe durch einen Brennstoff mit einer niedrigen Entzündungstemperatur wie z. B. Kohle (fähig, eine Wirbelschichttemperatur von etwa 5930C zu erzeugen) erhitzt werden, während die zweite Stufe mit einem Brennstoff nach Wahl erhitzt werden kann, wie z. B. Gas oder Öl oder demselben Brennstoff wie in der ersten Stufe.
Der Hauptvorteil der Verwendung eines Brennstoffs mit niedrigem Entzündungspunkt besteht darin, daß diese Stufe dann ausgelegt sein kann für und betrieben werden kann mit sehr hohen Kapazitäten, wobei ein Wirbelschichtverfahren mit Dispersionsphase (dispersed phase fluidization) nicht ausgeschlossen ist. Die Temperaturen in der ersten Stufe sind nicht ganz gleichmäßig; es ist jedoch gefunden worden, daß sie in den gewünschten Bereichen liegen, durchschnittlich etwa bei 593°C. Außerdem ist gefunden worden, daß der Hauptteil des Calcinierungsvorgangs in dieser ersten Stufe durchgeführt werden kann, da dieser Vorgang aus der Oxidation minderwertiger organischer Stoffe ähnlich der Kohle oder Braunkohle und aus der Entfernung von Hydratwasser besteht, das im wesentlichen unterhalb 593°C entfernt wird.
Da dies jedoch eine schnelle, etwas grobe Verbrennung ist, ist eine genauere, etwas höhere Temperatur und Verweilzeit erforderlich, um normale Produktspezifikationen bezüglich des Restgehalts an organischem Kohlenstoff und Materialverlusts beim Erhitzen zu erreichen. Um diesen Bedingungen zu genügen, werden die Geschwindigkeiten in der zweiten Stufe auf Werte herabgesetzt, die der herkömmlichen Praxis entsprechen, und es wird eine Wirbelschicht mit dichter Phase (dense phase fluidized bed) zum Zweck der Regelung verwendet.
Normalerweise würden die hohen Geschwindigkeiten ungleiche Temperaturbedingungen ergeben; dies trifft auch für den vorliegenden Fall zu. Durch die Auswahl eines Brennstoffs, der bei niedrigen Temperaturen brennt, erreichen die Ungleichmäßigkeiten jedoch kein solches Ausmaß, daß sie sich als schädlich für die Produktqualität erweisen. In Wirbelschichtreaktoren beispielsweise mit unzureichender Verbrennung und nachfolgender Verbrennung über der Schicht (freeboard burning), kann die Temperatur über der Schicht 930C (2000F) höher sein als die Temperatur in der Wirbelschicht Im Fall von Phosphat beträgt die Höchsttemperatur aus der Sicht der Produktkontrolle etwa 81600 (15000F). Mit einer gewünschten Temperatur in der ersten Stufe von etwa 5930C gibt dies einen Spielraum von 2230C für die Temperaturregelung und erweitert die Bandbreite für die Betriebsbedingungen erheblich gegenüber der bisherigen Praxis.
Das erfindungsgemäße mehrstufige System hat den zusätzlichen Vorteil, daß der Wärmebedarf der zweiten (oder nachfolgenden) Stufe herabgesetzt ist, da das Material, das den folgenden Stufen zugeführt wird, einer signifikanten Vorheizung in der vorherigen Stufe oder Stufen unterworfen war. Insbesondere kommt der verbesserte thermische Wirkungsgrad von der Verringerung aller überschüssiger Luft, die zur vollständigen Verbrennung notwendig ist.
Außerdem ist es möglich, die Gasströme, die die beiden Stufen verlassen, zu trennen, falls dies erwünscht ist.
Diese getrennten Ströme weisen unterschiedliche Gasanalysen und Temperaturen auf, und bei bestimmten Verfahren kann es vorteilhaft sein, diese Ströme getrennt zu handhaben. Ein Beispiel dafür ist die Calcinierung von Kalkschlämmen und -niederschlägen, wie sie in der Zuckerindustrie praktiziert wird. Hier ist es erwünscht, einen Gasstrom mit hohem 002 Gehalt zu haben. Herkömmliche Calcinieröfen für Kalkschlamm liefern nicht die gewünschte Konzentration an C02 aufgrund der Vermischung der Verbrennungsgase mit dem C022 das aus dem Calciumcarbonat kommt.
Das erfindungsgemäße zweistufige Oalcinierungssystem erzeugt hochprozentiges C02-Gas in dem aus der zweiten Stufe kommenden Gasstrom, da der Schlamm in der ersten Stufe getrocknet und auf eine Temperatur gerade unterhalb der Zersetzungstemperatur vorerhitzt wurde.
Die Trennung der Gasströme kann auch deshalb sehr wirksam sein, da sie einen maximalen thermischen Wirkungsgrad in dem in Betracht kommenden Verfahren zuläßt. Die erste Stufe beispielsweise kann mit einem Teilungsverhältnis betrieben werden, das gerade ausreicht, um eine minimale Abgastemperatur zu erzeugen. Die zweite Stufe mit hohen Abgastemperaturen erlaubt dann den wirksamsten Einsatz herkömmlicher Wärmerückgewinnungsanlagen wie z. B. Abhitzekessel u. s. w.
Außerdem verringert die Beseitigung der vertikalen Ausrichtung der Wirbelschichtstufen erheblich die Instandhaltungsprobleme, da durch die Gitter, die die Wirbelschichten tragen, nie mit Staub beladene Gase passieren.
Anhand der Zeichnung soll die Erfindung im folgenden näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt ein vereinfachtes Fließschema einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Die in der Zeichnung gezeigte Ausführungsform ist ein System, bei dem das zu bearbeitende Material und die Luft für die Wirbelschicht (und der Brennstoff) im allgemeinen im Gegenstrom durch eine Reihe von Wirbelschichtreaktoren geführt werden. Die wesentlichen Einheiten der Anlage sind ein Wirbelschichtreaktor 1 für die erste Stufe und ein Wirbelschichtreaktor 2 für die zweite Stufe. Zu den Hilfseinheiten der in der Zeichnung abgebildeten Anlage gehören der Wirbelschicht-Wärmeaustauscher 3 und eine Vielzahl von Zyklonen 4, 5, 5', 6, 6 und 7.
Der Wirbelschichtreaktor 1 ist mit einer Brennstoffzuführung 10 versehen, um feinverteilte Kohle oder einen anderen Brennstoff mit niedrigem Entzündungspunkt in den Fließbetteil des Wirbelschichtreaktors 1 zu dispergieren. Außerdem ist der Reaktor 1 mit einer Zuführung 11 für das Wirbelgas ausgestattet, die vorzugsweise am Boden des Reaktors 1 angebracht ist, um genügend Gas einzuführen, um das zu behandelnde Material in einem Wirbelschichtzustand zu halten. Die zu calcinierenden Rohmaterialien wie z. B. Phosphate werden durch die Zuführungen 12, 12 und 12, die oberhalb des Fließbettes liegen, in den Wirbelschichtreaktor 1 eingeführt. Der Wirbelschichtreaktor 1 ist auch mit einem Auslaß 13 versehen für die Überführung des Produkts der ersten Stufe in die zweite Stufe im Wirbelschichtreaktor 2.
Brennstoff wie Gas oder Öl wird in den Reaktor 2 durch die Brennstoffzuführung 20 gegeben, während das Wirbelgas über die Zuleitung 21 eingeleitet wird. Es ist ein Auslaß 22 für das Produkt vorgesehen, um das vollständig calcinierte Produkt aus dem Reaktor 2 in den Wirbelschicht-Wärmeaustauscher 3 zu transportieren. Luft oder Gas mit Raumtemperatur strömt über die Zuleitung 30 in den Austauscher 3, um die Wärme von dem calcinieFen Produkt wiederzugewinnen und dient gleichzeitig als Wirbelmedium für den Austauscher 3. Zusätzliche Reaktorluft kann über die Zuleitung 32 eingeführt werden. Das Produkt wird über den Produktauslaß 31 aus dem Austauscher 3 herausgeführt.
In dem Teil des Fließschemas, der die Staubwiedergewinnung betrifft, ist ein Zyklon 4 vorgesehen, um die vom Gas durch die Zuleitung 40 aus dem Reaktor 1 mitgerissenen feinsten Partikel abzutrennen. Die im Zyklon 4 nicht abgeschiedenen feinsten Partikel werden über die Leitung 35 zur weiteren Abtrennung in den Zyklon 5 überführt, während die schweren Teilchen durch die oben erwähnte Zuführung 12" in den Reaktor 1 zurückgeführt werden. Die Feststoffe werden auch vom Zyklon 5' über die Zuführung 12 wieder dem Reaktor 1 zugeführt (zusammen mit neuer Beschickung), während die feinsten Partikel, die im Zyklon 5' nicht abgeschieden werden, über die Leitung 37 zu einem weiteren Zyklon 5 geleitet werden. Die im Zyklon 5 erfolgende Trennung hat zur Folge, daß weitere schwere Teilchen über die Zuführung 12 in den Reaktor 1 zurückko.men, während die im Zyklon 5 nicht abgeschiedenen feinsten Teilchen über eine Leitung 39 zu einer Gasreinigungsanlage (nicht abgebildet) geführt werden.
Ähnlich werden feinste Teilchen, die aus dem Reaktor 2 über die Leitung 41 herausgetragen werden, dem Zyklon 6 zur Trennung zugeführt; die schweren Teilchen werden dem Wärmeaustauscher 3 über die Leitung 42 zugeführt, während die nicht abgeschiedenen feinsten Teilchen über die Leitung 43 zu einer weiteren Trennung in den Zyklon 6' gelangen. Die feinsten Teilchen aus dem Zyklon 6' werden über die Leitung 45 zu einer (nicht abgebildeten) Gasreinigungsanlage geleitet, während die schweren Teilchen über die Leitung 46 in den Wirbelschicht-Wärmeaustauscher 3 kommen. Andererseits können die feinsten Teilchen aus dem Zyklon 6' über die Leitung 45' mit neuer Beschickung aus der Zuführung 35 vereinigt werden.
Die aus dem Wirbelschicht-Wärmeaustauscher 3 herausgetragenen feinsten Teilchen gelangen über die Leitung 47 in den Zyklon R 7, von wo die schweren Teilchen in den Wärmeaustauscher 3 zurückgelangen, während die feinsten Teilchen über die Leitung 49 geführt werden, um sich mit in Zuführung 35 ankommender Beschickung zu vereinigen.
ä über die Leitung 48 In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Brennstoff für den Wirbelschichtreaktor 1 von oben auf das entsprechende Fließbett durch einen einzelnen zentral angebrachten Verteiler gleitet. So wird insbesondere Kohle pneumatisch durch einen zentralen Verteiler in den Reaktor 1 eingeführt.
Andererseits kann der Brennstoff der Beschickung in den richtigen Verhältnissen zugegeben werden, um die gewünschten stöchiometrischen und thermischen Bedingungen aufrecht zu erhalten.
Einzelheiten bezüglich der Größen, Formen und Anordnung der Anlagenteile und die Vorkehrungen für verschiedene andere herkömmliche Anlagenteile wurden der Übersicht halber weggelassen, da sie leicht von Fachleuten ergänzt werden können. Das folgende spezielle Ausführungsbeispiel soll die Erfindung näher erläutern, ohne sie jedoch in irgendeiner Weise einzuschränken.
63,504 t (70 tons) je Stunde gewaschenes und getrocknetes Rohphosphat mit einer Teilchengröße im Bereich von kleiner als 0,84 mm und größer als 0,074 mm lichte Maschenweite (minus 20 plus 200 U. S. mesh size), das 2 Gew.-O/o organischen Kohlenstoff, 3 Gew.-O/o eingeschlossenes Kohlendioxid, 2 Gew.-O/o Hydratwasser und 93 Gew.-O/o Phosphat und andere Mineralien enthält, wurden in den ersten Wirbelschichtreaktor eingeführt.
Wenn man Kohle als Brennstoff in der Mischung zusätzlich zu 2 °% organischem Kohlenstoff in der Beschickung für die erste Stufe verwendete, wurde die Temperatur auf 5930C (1100 F) aufrecht erhalten. Von der zusätzlichen Kohle waren bis zu 32,7 kg (72 pounds) je Stunde erforderlich.
Wenn man Erdgas verwendete, wurde die Temperatur des Reaktors der zweiten Stufe auf 7880C (14500F) gehalten. Es wurde gefunden, daß die Beschickung für den zweiten Reaktor 93 % der ursprünglichen Beschickung des ersten Reaktors ausmacht, wobei zu den Verlusten Hydratwasser, verschiedener organischer Kohlenstoff, Kohlenstoffdioxid und mit der Wirbelluft weggetragene Staubteilchen gehören. Die erste Reaktoreinheit erfordert 113,2 N m3 (4000 standard cubic feet) Je Minute Luft, um das Fließbett aufrecht zu erhalten.
Zusätzliche 84,9 N m3 (3000 standard cubic feet) je Minute an Wirbelluft waren für die zweite Reaktoreinheit erforderlich.
Es wurde gefunden, daß weitere Staubverluste-in dem Reaktor der zweiten Stufe eine Ausbeute von 91 o6 des ursprünglichen Gewichts des Rohphosphats ergaben, die aus dem Reaktor der zweiten Stufe gewonnen wurde.
Obwohl vorstehend eine bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform gezeigt und beschrieben wurde, ist es für den Fachmann offensichtlich, daß verschiedene Abänderungen vorgenommen werden können, ohne daß vom beanspruchten Erfindungsgedanken und -umfang abgewichen wird.
L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Calcinierung von Materialien, wie Erzen, Niederschlägen, Konzentraten und Rückständen, bei dem Hydrate, Carbonate und dergleichen zersetzt werden, während flüchtige Stoffe ausgetrieben werden, g e k e n n -z e i c h n e t durch folgende Schritte: Einführen des Materials in eine erste Wirbelschichtstufe mit hoher Kapazität; Bereitstellen eines Brennstoffs von der Art und in einer Menge, die ausreichen, um das Material auf etwa 593°C zu erhitzen; Überführen des erhitzten Materials von der ersten Stufe in eine zweite Wirbelschichtstufe; Bereitstellen eines Brennstoffs von der Art und in einer Menge, die ausreichen, um die Temperatur des erhitzten Materials unter genau kontrollierten Bedingungen entsprechend den Anforderungen des Verfahrens zu erhöhen; Rückgewinnen des erhitzten Materials aus der zweiten Stufe.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t, daß das erhitzte Material von der zweiten Stufe zu einer Wirbelschicht-Kühlstufe überführt wird, in der Luft in einer Menge vorgesehen ist, die ausreicht, um das erhitzte Material auf unter etwa 2600C (5000F) zu kühlen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß der Brennstoff der zweiten Stufe Erdgas oder Öl ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß der Brennstoff der ersten Stufe Kohle oder ein anderer Brennstoff mit niedrigem Entzündungspunkt ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Luftgeschwindigkeit in der ersten Stufe auf etwa 0,91 - 4,57 m (3 - 15 feet) / Sekunde gehalten wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Luftgeschwindigkeit in der zweiten Stufe auf etwa 0,3 - 1,52 m 1 - 5 feet) / Sekunde gehalten wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, insbesondere Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß weitere Verfahrensschritte vorgesehen sind zur Abtrennung der feinsten Partikeln aus der ersten, zweiten und der Kühlstufe, wobei die feinsten Teilchen durch entsprechende Zyklonen geführt werden, wo die schweren Teilchen zurückgewonnen und zur ersten Stufe und der Kühlstufe zurückgeführt werden.