LU103035B1 - Energy-efficient carbon dioxide capture, especially for a cement plant - Google Patents

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LU103035B1
LU103035B1 LU103035A LU103035A LU103035B1 LU 103035 B1 LU103035 B1 LU 103035B1 LU 103035 A LU103035 A LU 103035A LU 103035 A LU103035 A LU 103035A LU 103035 B1 LU103035 B1 LU 103035B1
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LU
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carbon dioxide
heat exchanger
heat exchange
gas
cooler
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LU103035A
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Jost Lemke
Eike Willms
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Thyssenkrupp Ag
Thyssenkrupp Ind Solutions Ag
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    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung eines mineralischen Materials, wobei die Vorrichtung wenigstens einen Vorwärmer 11, eine Behandlungsvorrichtung 12, 13 und einen Materialkühler 14 aufweist, wobei die Vorrichtung eine Kohlendioxidabtrennungsvorrichtung 32 aufweist, wobei die Kohlendioxidabtrennungsvorrichtung 32 einen Kohlendioxidkompressor 31 aufweist, wobei der Kohlendioxidkompressor 31 mit einer ersten Turbine 30 verbunden ist, wobei die erste Turbine 30 zum Antreiben des Kohlendioxidkompressors 31 ausgebildet ist, wobei der Materialkühler 14 einen Kühlergasauslass 81 aufweist, wobei die Vorrichtung einen ersten Wärmetauscher 20 aufweist, wobei der erste Wärmetauscher 20 eine erste Gasseite und eine erste Wärmetauschmediumseite aufweist, wobei der Kühlergasauslass 81 mit der ersten Gasseite des ersten Wärmetauschers 20 verbunden ist, wobei die erste Wärmetauschmediumseite des ersten Wärmetauschers 20 über einen ersten Wärmetauschkreislauf mit der ersten Turbine 30 verbunden ist.The present invention relates to a device for treating a mineral material, wherein the device has at least one preheater 11, a treatment device 12, 13 and a material cooler 14, wherein the device has a carbon dioxide separation device 32, wherein the carbon dioxide separation device 32 has a carbon dioxide compressor 31, wherein the carbon dioxide compressor 31 is connected to a first turbine 30, wherein the first turbine 30 is designed to drive the carbon dioxide compressor 31, wherein the material cooler 14 has a cooler gas outlet 81, wherein the device has a first heat exchanger 20, wherein the first heat exchanger 20 has a first gas side and a first heat exchange medium side, wherein the cooler gas outlet 81 is connected to the first gas side of the first heat exchanger 20, wherein the first heat exchange medium side of the first heat exchanger 20 is connected to the first turbine 30 via a first heat exchange circuit.

Description

thyssenkrupp Industrial Solutions AG 221483P00LU thyssenkrupp AG 14.11.2022 LU103035 1/9thyssenkrupp Industrial Solutions AG 221483P00LU thyssenkrupp AG 14.11.2022 LU103035 1/9

Energieeffiziente Kohlendioxidabtrennung, insbesondere für ein ZementwerkEnergy-efficient carbon dioxide capture, especially for a cement plant

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur energieeffizientenThe invention relates to a device and a method for energy-efficient

Abtrennung von Kohlendioxid insbesondere bei der Klinkerherstellung.Separation of carbon dioxide, especially in clinker production.

Die Vermeidung von Kohlendioxid-Emissionen nimmt weiter an Bedeutung zu. Daher werden zunehmend entsprechende Anlagen, beispielsweise in der Zementindustrie derart ausgerüstet, dass Kohlendioxid abgetrennt wird, entweder um dieses getrennt weiter verwerten zu können oder um dieses endzulagern.The prevention of carbon dioxide emissions is becoming increasingly important. Therefore, corresponding plants, for example in the cement industry, are increasingly being equipped in such a way that carbon dioxide is separated, either for further separate use or for final storage.

Aus der US 2009 / 0308073 A1 ist die sauerstoffangereicherte Verbrennung in einem industriellen Prozess bekannt.Oxygen-enriched combustion in an industrial process is known from US 2009 / 0308073 A1.

Aus der WO2011/082193A1 ist ein integrierter Materialkühler undWO2011/082193A1 describes an integrated material cooler and

Wärmerückgewinnung bekannt.Heat recovery is known.

Aus der CN 112393597 A ist ein Zementbrennsystem mit einem Verfahren zurFrom CN 112393597 A a cement burning system with a process for

Verbrennung mit reinem Sauerstoff bekannt.Combustion with pure oxygen is known.

Aus der EP1338848A ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur integriertenEP1338848A discloses a method and a device for integrated

Luftzerlegung und Wärmerückgewinnung in einem Ofen bekannt.Air separation and heat recovery in a furnace.

Aus der US 8 236 093 B2 ist eine Emissionskontrolle eines Kraftwerks unter Verwendung eines Organic Rankine Cycle bekannt.From US 8 236 093 B2 an emission control of a power plant using an Organic Rankine Cycle is known.

Aus der EP2167 794 B1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kraft-EP2167 794 B1 discloses a device and a method for force

Wärmeerzeugung bekannt.Heat generation is known.

Aus der CN 105980776 A ist ein integrierter Prozess für die Oxyfuel Verbrennung sowie die Produktion von Sauerstoff bekannt.An integrated process for oxyfuel combustion and oxygen production is known from CN 105980776 A.

Aus der KR 2162987 B1 ist ein Verfahren zum Abtrennen und Speichern vonFrom KR 2162987 B1 a method for separating and storing

Kohlendioxid aus Abgas in der Zementherstellung bekannt.Carbon dioxide from exhaust gases in cement production is known.

thyssenkrupp Industrial Solutions AG 221483P00LU thyssenkrupp AG 14.11.2022 LU103035 2/9thyssenkrupp Industrial Solutions AG 221483P00LU thyssenkrupp AG 14.11.2022 LU103035 2/9

Beispielsweise werden nachgeschaltete Vorrichtungen integriert, um Kohlendioxid aus dem Abgas herauszutrennen. Weitere Verfahren, beispielsweise das Oxyfuel-Verfahren, versuchen durch den Einsatz von möglichst reinem Sauerstoff anstelle von Luft bereits innerhalb des Prozesses möglichst reines Kohlendioxid zu erzeugen (insbesondere ohneFor example, downstream devices are integrated to separate carbon dioxide from the exhaust gas. Other processes, such as the oxyfuel process, attempt to produce the purest carbon dioxide possible within the process by using oxygen that is as pure as possible instead of air (especially without

Stickstoff). Unabhängig von der Art der Abtrennung und/oder Gewinnung desNitrogen). Regardless of the type of separation and/or recovery of the

Kohlendioxids muss dieses regelmäßig nach der Abtrennung komprimiert werden, um entweder transportiert und weiter genutzt werden zu können. Durch diese Verdichtung wird ein neuer Energiebedarf geschaffen.Carbon dioxide must be compressed regularly after separation in order to be able to be transported or used further. This compression creates a new energy requirement.

Eine Herausforderung hierbei ist, dass durch die zunehmende Komplexität ein zusätzlicher Energiebedarf entsteht. Ziel ist es daher, eine Optimierung nicht mehr nur einzelner Prozesse durchzuführen, sondern insbesondere althergebrachte Lösungen, beispielsweise für die Herstellung von Klinker, aufzugeben und neue Konzepte zu entwickeln, um ganzheitlich energieoptimiert zu arbeiten.One challenge here is that the increasing complexity creates additional energy requirements. The aim is therefore to no longer just optimize individual processes, but to abandon traditional solutions, for example for the production of clinker, and to develop new concepts in order to work in a holistic, energy-optimized manner.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, um über den Gesamtprozess besonders effizient zu sein.The object of the invention is to provide a method and a device to be particularly efficient throughout the entire process.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Vorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenenThis object is achieved by the device with the features specified in claim 1

Merkmalen sowie durch das Verfahren mit den in Anspruch 8 angegeben Merkmalen.Features and by the method having the features specified in claim 8.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgendenAdvantageous further developments result from the subclaims, the following

Beschreibung sowie der Zeichnung.Description and drawing.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Behandlung eines mineralischen Materials.The device according to the invention serves to treat a mineral material.

Beispielsweise und bevorzugt handelt es sich um eine Vorrichtung zur Herstellung vonFor example and preferably, it is a device for producing

Zementklinker. Die Vorrichtung weist wenigstens einen Vorwärmer, eineCement clinker. The device comprises at least one preheater, a

Behandlungsvorrichtung und einen Materialkühler auf. Beispielsweise und insbesondere kann auch eine zweite Behandlungsvorrichtung vorgesehen sein. Beispielsweise und bevorzugt ist die erste Behandlungsvorrichtung ein Calcinator und die zweitetreatment device and a material cooler. For example and in particular, a second treatment device can also be provided. For example and preferably, the first treatment device is a calciner and the second

Behandlungsvorrichtung ein Ofen, insbesondere ein Drehrohrofen. Die Vorrichtung weist eine Kohlendioxidabtrennungsvorrichtung auf. Kohlendioxidabtrennungsvorrichtung ist im Sinne der Erfindung weit zu verstehen. Zum einen umfasst die thyssenkrupp Industrial Solutions AG 221483P00LU thyssenkrupp AG 14.11.2022 LU103035 3/9Treatment device is a furnace, in particular a rotary kiln. The device has a carbon dioxide separation device. Carbon dioxide separation device is to be understood broadly in the sense of the invention. On the one hand, the thyssenkrupp Industrial Solutions AG 221483P00LU thyssenkrupp AG 14.11.2022 LU103035 3/9

Kohlendioxidabtrennungsvorrichtung klassische Vorrichtungen zur Abscheidung vonCarbon dioxide separation device classic devices for the separation of

Kohlendioxid aus einem Abgasstrom, beispielsweise mittels einer Amin-Lösung oder desCarbon dioxide from an exhaust gas stream, for example by means of an amine solution or the

Carbonate-Looping-Verfahrens. Ebenso können kryotechnische Verfahren zurCarbonate looping process. Cryogenic processes can also be used to

Abscheidung verwendet werden. Wird die Vorrichtung hingegen zum Beispiel nach demseparation. If, however, the device is used, for example, after the

Oxyfuel-Verfahren betreiben, also anstelle von Luft Sauerstoff verwendet, so entsteht bereits theoretisch ziemlich reines Kohlendioxid, jedoch zumeist mit Wasser und Staub belastet, teilweise noch mit anderen organischen Komponenten. In einem solchen Fall ist die Kohlendioxidabtrennungsvorrichtung wesentlich einfacher ausgeführt. DieIf you use the oxyfuel process, i.e. use oxygen instead of air, then theoretically quite pure carbon dioxide is produced, but mostly contaminated with water and dust, and sometimes with other organic components. In such a case, the carbon dioxide separation device is designed much more simply. The

Kohlendioxidabtrennungsvorrichtung kann auch zur Einstellung der Reinheit des erzeugten Kohlendioxids ausgebildet sein. Die Kohlendioxidabtrennungsvorrichtung weist einen Kohlendioxidkompressor auf. Für die meisten Verwendungen ist eineCarbon dioxide separation device can also be designed to adjust the purity of the carbon dioxide produced. The carbon dioxide separation device has a carbon dioxide compressor. For most applications, a

Verdichtung des Kohlendioxids notwendig, beispielsweise auch für Lagerung undCompression of carbon dioxide is necessary, for example for storage and

Transport vorteilhaft. Für hohe Kompressionen kann auch eine zweistufige Verdichtung erfolgen. Die zweite Kompression kann auch von der hier beschrieben getrennt, zeitlich und/oder räumlich getrennt erfolgen. Der Kohlendioxidkompressor ist mit einer erstenTransport is advantageous. For high compressions, a two-stage compression can also be used. The second compression can also be carried out separately from the one described here, separated in time and/or space. The carbon dioxide compressor is equipped with a first

Turbine verbunden. Die erste Turbine ist zum Antreiben des Kohlendioxidkompressors ausgebildet. Der Materialkühler weist einen Kühlergasauslass auf. Die Vorrichtung weist einen ersten Wärmetauscher auf. Der erste Wärmetauscher weist eine erste Gasseite und eine erste Wärmetauschmediumseite auf. Der Kühlergasauslass ist mit der erstenTurbine. The first turbine is designed to drive the carbon dioxide compressor. The material cooler has a cooler gas outlet. The device has a first heat exchanger. The first heat exchanger has a first gas side and a first heat exchange medium side. The cooler gas outlet is connected to the first

Gasseite des ersten Wärmetauschers verbunden. Somit wird die auf den durch denGas side of the first heat exchanger. Thus, the heat transferred to the

Materialkühler strômenden Gasstrom dort erwärmt, durch den Kühlergasauslass in den ersten Wärmetauscher geführt und gibt dort die Wärme an ein Wärmetauschmedium, beispielsweise Dampf, ab. Die erste Warmetauschmediumseite des erstenThe gas stream flowing through the material cooler is heated there, led through the cooler gas outlet into the first heat exchanger and releases the heat there to a heat exchange medium, for example steam. The first heat exchange medium side of the first

Wärmetauschers ist über einen ersten Wärmetauschkreislauf mit der ersten Turbine verbunden. Damit treibt das Wärmetauschmedium die Turbine und somit denThe heat exchanger is connected to the first turbine via a first heat exchange circuit. The heat exchange medium drives the turbine and thus the

Kohlendioxidkompressor an. Die Wärme aus dem Materialkühler wird daher nicht demcarbon dioxide compressor. The heat from the material cooler is therefore not transferred to the

Prozess wieder zugeführt, sondern genutzt, um das abgeschiedene Kohlendioxid zu verdichten. Dadurch kann auf beispielsweise eine elektrische Energiezufuhr für dieprocess, but is used to compress the separated carbon dioxide. This means that, for example, an electrical energy supply for the

Verdichtung des Kohlendioxids verzichtet werden.Compression of carbon dioxide can be avoided.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der erste Wärmetauschkreislauf einIn a further embodiment of the invention, the first heat exchange circuit is a

Wasserdampfkreislauf. Das Wärmetauschmedium ist somit Wasser. Bei dem thyssenkrupp Industrial Solutions AG 221483P00LU thyssenkrupp AG 14.11.2022 LU103035 4/9 vergleichsweise hohen Temperaturniveau, bevorzugt oberhalb von 400°C istSteam cycle. The heat exchange medium is therefore water. At the comparatively high temperature level, preferably above 400°C,

Wasserdampf ein besonders gut geeignetes Medium.Water vapor is a particularly suitable medium.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Vorwärmer einenIn a further embodiment of the invention, the preheater has a

Vorwärmergasauslass auf. Die Vorrichtung weist einen zweiten Wärmetauscher auf. Der zweite Wärmetauscher weist eine zweite Gasseite und eine zweitepreheater gas outlet. The device comprises a second heat exchanger. The second heat exchanger comprises a second gas side and a second

Wärmetauschmediumseite auf. Der Vorwärmergasauslass ist mit der zweiten Gasseite des zweiten Wärmetauschers verbunden. Hierdurch kann auch die Wärme des denThe preheater gas outlet is connected to the second gas side of the second heat exchanger. This also allows the heat from the

Vorwärmer verlassenden Gasstromes genutzt werden.gas stream leaving the preheater.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung eine Anlage zurIn a further embodiment of the invention, the device comprises a system for

Luftzerlegung auf. Eine Luftzerlegung wird beispielsweise benötigt, wenn die Vorrichtung zum Beispiel nach dem Oxyfuel-Verfahren betrieben wird, also mit angereichertem oder technisch reinem Sauerstoff, wodurch die Abtrennung von Kohlendioxid am Ende deutlich vereinfacht wird, da das Abgas entsprechend keinen oder nur sehr wenigAir separation is required, for example, if the device is operated using the oxyfuel process, i.e. with enriched or technically pure oxygen, which makes the separation of carbon dioxide at the end much easier, since the exhaust gas contains no or very little

Stickstoff aufweist. Die Luftzerlegung weist einen Luftkompressor auf. Für dieNitrogen. The air separation has an air compressor. For the

Luftzerlegung wird üblicherweise ein erhöhter Druck benötigt. Der Luftkompressor ist mit einer zweiten Turbine verbunden. Die zweite Turbine ist zum Antreiben desAir separation usually requires increased pressure. The air compressor is connected to a second turbine. The second turbine is used to drive the

Luftkompressors ausgebildet. Die zweite Turbine ist mit der ersteair compressor. The second turbine is connected to the first

Wärmetauschmediumseite des ersten Warmetauschers Uber einen erstenHeat exchange medium side of the first heat exchanger About a first

Warmetauschkreislauf oder mit der zweiten Wärmetauschmediumseite des zweitenHeat exchange circuit or with the second heat exchange medium side of the second

Warmetauschers über einen zweiten Warmetauschkreislauf verbunden. Bevorzugt ist die zweite Turbine mit der zweiten Warmetauschmediumseite des zweiten Wärmetauschers über einen zweiten Warmetauschkreislauf verbunden. Das geringere Energieniveau ist zum einen typischerweise ausreichend, zum anderen wird beim Anfahren der Anlage dieHeat exchanger via a second heat exchange circuit. Preferably, the second turbine is connected to the second heat exchange medium side of the second heat exchanger via a second heat exchange circuit. The lower energy level is typically sufficient, and when the system is started up, the

Luftzerlegung sofort benötigt und die Abwärme des Vorwärmers steht frühzeitig zurAir separation is required immediately and the waste heat from the preheater is available early

Verfügung, selbst bevor Feststoff durch die Vorrichtung geführt wird. Daher ist dieseavailable even before solid material is passed through the device. Therefore, this

Anordnung besonders vorteilhaft.Arrangement particularly advantageous.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der zweite Wärmetauschkreislauf einIn a further embodiment of the invention, the second heat exchange circuit is a

Organic Rankine Cycle. Hierbei wird anstelle von Wasser ein anderer Warmetrager genutzt, um auch bei geringeren Temperaturen ein für den Betrieb der Turbine thyssenkrupp Industrial Solutions AG 221483P00LU thyssenkrupp AG 14.11.2022 LU103035 5/9 ausreichenden Druck aufzubauen. Beispiele sind Ammoniak, Butan und Pentan. Hier wird der wesentlich geringere Siedepunkt dieser Verbindungen ausgenutzt.Organic Rankine Cycle. Here, a different heat carrier is used instead of water to build up sufficient pressure to operate the turbine even at lower temperatures. Examples are ammonia, butane and pentane. The much lower boiling point of these compounds is exploited here.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der erste Wärmetauschkreislauf zusätzlich zur ersten Turbine mit einem Generator verbunden. Auf diese Weise kann zusätzlich Strom erzeugt werden, insbesondere um den Energiebedarf beispielsweise in der Luftzerlegung oder der Kohlendioxidabscheidung zu decken. Bevorzugt ist derIn a further embodiment of the invention, the first heat exchange circuit is connected to a generator in addition to the first turbine. In this way, additional electricity can be generated, in particular to cover the energy requirements, for example in air separation or carbon dioxide capture. Preferably, the

Generator trennbar, also beispielsweise über Ventile, verbunden. Somit kann derGenerator can be separated, for example via valves. This allows the

Generator nur zugeschaltet werden, wenn auch eine Überschussenergie zurGenerator should only be switched on if there is surplus energy to

Verstromung vorhanden ist.Electricity generation is available.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist dieIn a further embodiment of the invention, the

Kohlendioxidabtrennungsvorrichtung eine Absorberstufe und/oder eine Reinigungsstufe auf. Wie bereits ausgeführt, ist der Kohlendioxidgehalt des Abgases sehr unterschiedlich.Carbon dioxide separation device has an absorber stage and/or a cleaning stage. As already mentioned, the carbon dioxide content of the exhaust gas varies greatly.

In den meisten Fällen muss eine Abtrennung von Wasser und flüchtigen Verbindungen erfolgen, in vielen Fällen auch von Stickstoff. Daher kann es vorteilhaft sein, dasIn most cases, water and volatile compounds must be separated, and in many cases nitrogen must also be removed. Therefore, it can be advantageous to

Kohlendioxid selektiv mit einer Absorberstufe, beispielsweise einem Amin oder nach demCarbon dioxide selectively with an absorber stage, for example an amine or after the

Carbonate-Looping-Verfahren aus dem Abgas selektiv herauszuwaschen. Ist das Abgas bereits sehr reich an Kohlendioxid, beispielsweise beim Oxyfuel-Verfahren, so kann eineCarbonate looping process to selectively wash out the exhaust gas. If the exhaust gas is already very rich in carbon dioxide, for example in the oxyfuel process, a

Reinigungsstufe zum Beispiel zur Abtrennung von Wasser und organischenCleaning stage, for example for the separation of water and organic

Bestandteilen ausreichen. Ebenso kann das Abgas in einer kryotechnischen Anlage aufbereitet werden.components are sufficient. The exhaust gas can also be processed in a cryogenic plant.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das imIn a further aspect, the invention relates to a method for operating a device according to the invention. The method is characterized in that the

Materialkühler erwärmte Gas zu wenigstens 95 % dem ersten Wärmetauscher zugeführt wird. Es geht also darum, dass die Wärme eben nicht in die Behandlungsvorrichtung inThe gas heated by the material cooler is fed to the first heat exchanger to at least 95%. The point is that the heat does not enter the treatment device in

Form von vorgewärmter Luft überführt wird, sondern zur Verdichtung des Kohlendioxids genutzt wird. Dieses ist für den eigentlichen thermischen Behandlungsvorgang ungünstig und erscheint daher zunächst energetisch unvorteilhaft. Es hat sich jedoch gezeigt, dass in Kombination mit der Kohlendioxidabtrennung dieses letztendlich dann doch vorteilhaft ist.The carbon dioxide is not transferred to the form of preheated air, but is used to compress the carbon dioxide. This is unfavourable for the actual thermal treatment process and therefore initially appears to be disadvantageous in terms of energy. However, it has been shown that in combination with the carbon dioxide separation this is ultimately advantageous.

thyssenkrupp Industrial Solutions AG 221483P00LU thyssenkrupp AG 14.11.2022 LU103035 6/9thyssenkrupp Industrial Solutions AG 221483P00LU thyssenkrupp AG 14.11.2022 LU103035 6/9

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Behandlungsvorrichtung angereichter Sauerstoff direkt aus einer Luftzerlegung zugeführt. Der Sauerstoff ist somit nicht oder nur sehr wenig vorgewärmt. Es hat sich jedoch gezeigt, dass gerade in dieserIn a further embodiment of the invention, enriched oxygen is fed directly from an air separation unit to the treatment device. The oxygen is thus not preheated or only very slightly preheated. However, it has been shown that in this case

Konstellation durch die Verbrennung in (relativ) reinem Sauerstoff dieConstellation by combustion in (relatively) pure oxygen the

Verbrennungswärme so hoch ist, dass eine Zuführung von kaltem Sauerstoff möglich und damit die Nutzung der Wärme des Produktes für die Verdichtung des Kohlendioxids möglich und vorteilhaft ist.The heat of combustion is so high that the supply of cold oxygen is possible and thus the use of the heat of the product for the compression of the carbon dioxide is possible and advantageous.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das den Materialkühler durch denIn a further embodiment of the invention, the material cooler is provided by the

Kühlergasauslass verlassende Gas eine Temperatur von höchstens 400 °C auf. Dieses unterscheidet das Verfahren von Verfahren, bei welchen die höchste Wärme genutzt wird, um die der Behandlungsvorrichtung zugeführte Luft maximal vorzuwärmen und somit nur noch Gas auf einem sehr geringen Temperaturniveau für andere Prozesse zurThe gas leaving the cooler gas outlet has a maximum temperature of 400 °C. This distinguishes the process from processes in which the highest heat is used to preheat the air supplied to the treatment device to the maximum and thus only gas at a very low temperature level is available for other processes.

Verfügung stellt.makes available.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das imIn a further aspect, the invention relates to a method for operating a device according to the invention. The method is characterized in that the

Materialkühler erwärmte Gas zu 30 % bis 70 % dem ersten Wärmetauscher zugeführt wird. Das den Materialkühler durch den Kühlergasauslass verlassende Gas weist eineThe gas heated by the material cooler is fed to the first heat exchanger at 30% to 70%. The gas leaving the material cooler through the cooler gas outlet has a

Temperatur von wenigstens 400 °C, bevorzugt von wenigstens 600 °C, besonders bevorzugt von wenigstens 750 °C auf. Dieses unterscheidet dieses Verfahren vonTemperature of at least 400 °C, preferably at least 600 °C, particularly preferably at least 750 °C. This distinguishes this process from

Verfahren, bei welchen die höchste Wärme genutzt wird, um die derProcesses in which the highest heat is used to

Behandlungsvorrichtung zugeführte Luft maximal vorzuwärmen und somit nur noch Gas auf einem sehr geringen Temperaturniveau für andere Prozesse zur Verfügung stellt. Es geht also darum, dass die Wärme eben nicht in die Behandlungsvorrichtung in Form von vorgewärmter Luft überführt wird, sondern zur Verdichtung des Kohlendioxids genutzt wird. Dieses ist für den eigentlichen thermischen Behandlungsvorgang ungünstig und erscheint daher zunächst energetisch unvorteilhaft. Es hat sich jedoch gezeigt, dass inThe aim is to preheat the air supplied to the treatment device to the maximum and thus only make gas available at a very low temperature level for other processes. The point is that the heat is not transferred to the treatment device in the form of preheated air, but is used to compress the carbon dioxide. This is unfavorable for the actual thermal treatment process and therefore initially appears to be energetically disadvantageous. However, it has been shown that in

Kombination mit der Kohlendioxidabtrennung dieses letztendlich doch vorteilhaft ist.In combination with carbon dioxide separation, this is ultimately advantageous.

Nachfolgend ist die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.The device according to the invention is explained in more detail below using an embodiment shown in the drawing.

thyssenkrupp Industrial Solutions AG 221483P00LU thyssenkrupp AG 14.11.2022 LU103035 7/9thyssenkrupp Industrial Solutions AG 221483P00LU thyssenkrupp AG 14.11.2022 LU103035 7/9

Fig. 1 beispielhafte VorrichtungFig. 1 exemplary device

In Fig. 1 ist eine beispielhafte Vorrichtung gezeigt. Die Vorrichtung weist drei primäreAn exemplary device is shown in Fig. 1. The device has three primary

Stoffflusse auf, anhand derer die Vorrichtung und damit auch das Verfahren beispielhaft stark vereinfacht dargestellt werden soll.Material flows are shown, which are used to illustrate the device and thus also the process in a very simplified manner.

Uber den Materialzufluss 70 wird thermisch zu behandelndes mineralisches Material, beispielsweise gemahlener Kalkstein, der Vorrichtung zugeführt, in einem Vorwärmer 11 erwärmt und anschließend in einem Calcinator 12 (als erste Behandlungsvorrichtung) und einem Ofen 13 (als zweite Behandlungsvorrichtung) umgesetzt. Das fertige Produkt, zum Beispiel der fertig gebrannte Klinker, die Vorrichtung Uber den Materialabfluss 71.Mineral material to be thermally treated, for example ground limestone, is fed to the device via the material inflow 70, heated in a preheater 11 and then processed in a calciner 12 (as the first treatment device) and a kiln 13 (as the second treatment device). The finished product, for example the fully fired clinker, leaves the device via the material outflow 71.

Um das fertige Produkt im Materialkühler 14 zu kühlen wird dem Materialkühler 14 einIn order to cool the finished product in the material cooler 14, the material cooler 14 is provided with a

Gasstrom über die Gaszufuhr 80 zugeführt. Erwärmt verlässt der Gasstrom denGas flow is fed via the gas supply 80. Heated, the gas flow leaves the

Materialkühler 14 über den Kühlergasauslass 81 und wird in den ersten Wärmetauscher geführt. Dort wird die Wärme an ein erstes Wärmetauschmedium, bevorzugt Dampf, abgegeben. Der wieder abgekuhlte Gasstrom verlässt die Vorrichtung Uber dieMaterial cooler 14 via the cooler gas outlet 81 and is led into the first heat exchanger. There, the heat is transferred to a first heat exchange medium, preferably steam. The cooled gas stream leaves the device via the

Gasabfuhr 82. Der im ersten Wärmetauscher 20 erzeugte Dampf wird auf einer ersteGas discharge 82. The steam generated in the first heat exchanger 20 is discharged to a first

Turbine 30 und eine dritte Turbine 60 gegeben und treibt diese an. Die dritte Turbine 60 20 treibt einen Generator 61 an, sodass Strom erzeugt werden kann. Die erste Turbine 30 treibt den Kohlendioxidkompressor 31 an.Turbine 30 and a third turbine 60 and drives them. The third turbine 60 drives a generator 61 so that electricity can be generated. The first turbine 30 drives the carbon dioxide compressor 31.

Der dritte beschriebene Stofffluss ist der durch der durch Behandlungsvorrichtung geführte Gasstrom. Uber eine Luftzufuhr 90 wird Luft einem Luftkompressor 50 zugeführt.The third material flow described is the gas flow passed through the treatment device. Air is fed to an air compressor 50 via an air supply 90.

Die verdichtete Luft wird dann einer Luftzerlegung 51 zugeführt und dort in Stickstoff undThe compressed air is then fed to an air separation unit 51 and separated into nitrogen and

Sauerstoff aufgetrennt (in erster Näherung, Verunreinigungen bei technischenOxygen separated (in a first approximation, impurities in technical

Reinheitsgraden hier zur Vereinfachung vernachlassigt). Der Stickstoff wird Uber diedegrees of purity are ignored here for simplicity). The nitrogen is

Stickstoffabgabe 91 wieder abgegeben, der Sauerstoff Uber die Sauerstoffleitung 92 direkt und ohne Vorwarmung im Materialkühler 14 dem Ofen 13 zugeführt. Im Ofen 13 erfolgt eine Verbrennung zur Energieerzeugung. Durch die vergleichsweise hoheNitrogen discharge 91 is released again, the oxygen is fed to the furnace 13 via the oxygen line 92 directly and without preheating in the material cooler 14. In the furnace 13, combustion takes place to generate energy. Due to the comparatively high

Energiefreisetzung bei der Verbrennung in reinem Sauerstoff ist die Vorwärmung leicht verzichtbar. Der Gasstrom wird weiter vom Ofen 13 in den Calcinator 12 geführt, wo üblicherweise eine zweite Verbrennung zur Energieerzeugung erfolgt. Hiernach besteht thyssenkrupp Industrial Solutions AG 221483P00LU thyssenkrupp AG 14.11.2022 LU103035 8/9 der Gasstrom vorzugsweise zu mehr als 90 % aus Kohlendioxid (bezogen auf trockenesDue to the high energy release during combustion in pure oxygen, preheating is easily dispensable. The gas stream is then fed from the furnace 13 into the calciner 12, where a second combustion usually takes place to generate energy. After this, the gas stream preferably consists of more than 90% carbon dioxide (based on dry

Gas, also ohne Wasser). Beispielsweise liegt der Sauerstoffgehalt unter 2-4 %. Dieses erleichtert die spätere Abtrennung des Kohlendioxids aus dem Abgas. Der heißeGas, i.e. without water). For example, the oxygen content is less than 2-4%. This facilitates the subsequent separation of carbon dioxide from the exhaust gas. The hot

Gasstrom wird aus dem Calcinator 12 in den Vorwärmer 11 geleitet und gibt dort den größten Teil der Wärme an das Edukt, zum Beispiel Kalkstein, ab. Der Gasstrom verlässt den Vorwärmer 11 mit beispielsweise 200 bis 250 °C und wird in einen zweitenGas flow is led from the calciner 12 into the preheater 11 and there transfers most of the heat to the reactant, for example limestone. The gas flow leaves the preheater 11 at, for example, 200 to 250 °C and is fed into a second

Wärmetauscher 40 geleitet. Der zum zweiten Wärmetauscher 40 gehörendeheat exchanger 40. The second heat exchanger 40

Wärmetauschkreislauf ist ein Organic Rankine Cycle. Als Wärmetauschmedium wird beispielsweise Butan eingesetzt. Dieses ermöglicht die Nutzung der vergleichsweise niedrigen Temperaturen zum Antreiben der zweiten Turbine 41, die wiederum denThe heat exchange cycle is an Organic Rankine Cycle. Butane, for example, is used as a heat exchange medium. This enables the use of the comparatively low temperatures to drive the second turbine 41, which in turn drives the

Luftkompressor 50 antreibt. Vorteilhaft ist, dass beim Anfahren, noch vor dem Einbringen von Edukt und damit vor Wärmeeintrag in den Materialkühler 14 somit über den zweitenThe advantage is that during start-up, before the introduction of reactant and thus before heat is introduced into the material cooler 14, the second

Wärmetauscher 40 bereits die Luftzerlegung 51 betrieben wird, die den Sauerstoff für dasHeat exchanger 40 is already operating the air separation 51, which produces the oxygen for the

Anfahren bereitstellt. Der Gasstrom wird nach dem zweiten Wärmetauscher 40 in dieThe gas flow is fed after the second heat exchanger 40 into the

Kohlendioxidabtrennungsvorrichtung 32 geführt und dort in einen Kohlendioxidstrom und einen Abgasstrom geteilt. Der Abgasstrom kann Reste von Kohlendioxid aufweist und kann als Abgas 93 beispielswiese in die Umgebung abgegeben werden. DerCarbon dioxide separation device 32 and is divided there into a carbon dioxide stream and an exhaust gas stream. The exhaust gas stream may contain residues of carbon dioxide and can be released into the environment as exhaust gas 93, for example. The

Kohlendioxidstrom wird in den Kohlendioxidkompressor 31 geführt und dort verdichtet und anschließend über den Kohlendioxidaustrag 94 abgegeben. DerCarbon dioxide stream is fed into the carbon dioxide compressor 31 and compressed there and then discharged via the carbon dioxide discharge 94. The

Kohlendioxidkompressor 31 wird, wie oben ausgeführt, durch die erste Turbine 30 angetrieben und damit mit der Abwärme aus dem Materialkühler 14.Carbon dioxide compressor 31 is, as stated above, driven by the first turbine 30 and thus with the waste heat from the material cooler 14.

Bezugszeichen 11 Vorwärmer 12 Calcinator 13 Ofen 14 Materialkühler 20 erster Wärmetauscher erste Turbine 30 31 Kohlendioxidkompressor 32 Kohlendioxidabtrennungsvorrichtung zweiter Wärmetauscher 41 zweite Turbine thyssenkrupp Industrial Solutions AG 221483P00LU thyssenkrupp AG 14.11.2022 LU103035 9/9 50 Luftkompressor 51 Luftzerlegung 60 dritte Turbine 61 Generator 70 MaterialzuflussReference numerals 11 Preheater 12 Calciner 13 Furnace 14 Material cooler 20 First heat exchanger First turbine 30 31 Carbon dioxide compressor 32 Carbon dioxide separation device Second heat exchanger 41 Second turbine thyssenkrupp Industrial Solutions AG 221483P00LU thyssenkrupp AG 14.11.2022 LU103035 9/9 50 Air compressor 51 Air separation 60 Third turbine 61 Generator 70 Material inflow

71 Materialabfluss 80 Gaszufuhr 81 Kühlergasauslass 82 Gasabfuhr71 Material drain 80 Gas supply 81 Cooler gas outlet 82 Gas discharge

90 Luftzufuhr 91 Stickstoffabgabe 92 Sauerstoffleitung 93 Abgas 94 Kohlendioxidaustrag90 Air supply 91 Nitrogen discharge 92 Oxygen line 93 Exhaust gas 94 Carbon dioxide discharge

Claims (11)

thyssenkrupp Industrial Solutions AG 221483P00LU thyssenkrupp AG 14.11.2022 LU103035 1/2 Patentansprüchethyssenkrupp Industrial Solutions AG 221483P00LU thyssenkrupp AG 14.11.2022 LU103035 1/2 Patent claims 1. Vorrichtung zur Behandlung eines mineralischen Materials, wobei die Vorrichtung wenigstens einen Vorwärmer (11), eine Behandlungsvorrichtung (12, 13) und einen Materialkühler (14) aufweist, wobei die Vorrichtung eine Kohlendioxidabtrennungsvorrichtung (32) aufweist, wobei die Kohlendioxidabtrennungsvorrichtung (32) einen Kohlendioxidkompressor (31) aufweist, wobei der Kohlendioxidkompressor (31) mit einer ersten Turbine (30) verbunden ist, wobei die erste Turbine (30) zum Antreiben des Kohlendioxidkompressors (31) ausgebildet ist, wobei der Materialkühler (14) einen Kühlergasauslass (81) aufweist, wobei die Vorrichtung einen ersten Wärmetauscher (20) aufweist, wobei der erste Wärmetauscher (20) eine erste Gasseite und eine erste Wärmetauschmediumseite aufweist, wobei der Kühlergasauslass (81) mit der ersten Gasseite des ersten Wärmetauschers (20) verbunden ist, wobei die erste Wärmetauschmediumseite des ersten Wärmetauschers (20) über einen ersten Wärmetauschkreislauf mit der ersten Turbine (30) verbunden ist.1. Device for treating a mineral material, the device comprising at least one preheater (11), a treatment device (12, 13) and a material cooler (14), the device comprising a carbon dioxide separation device (32), the carbon dioxide separation device (32) comprising a carbon dioxide compressor (31), the carbon dioxide compressor (31) being connected to a first turbine (30), the first turbine (30) being designed to drive the carbon dioxide compressor (31), the material cooler (14) comprising a cooler gas outlet (81), the device comprising a first heat exchanger (20), the first heat exchanger (20) having a first gas side and a first heat exchange medium side, the cooler gas outlet (81) being connected to the first gas side of the first heat exchanger (20), the first heat exchange medium side of the first heat exchanger (20) being connected to the first turbine (30) via a first heat exchange circuit. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauschkreislauf ein Wasserdampfkreislauf ist.2. Device according to claim 1, characterized in that the first heat exchange circuit is a water vapor circuit. 3. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwärmer (11) einen Vorwärmergasauslass aufweist, wobei die Vorrichtung einen zweiten Wärmetauscher (40) aufweist, wobei der zweite Wärmetauscher (40) eine zweite Gasseite und eine zweite Wärmetauschmediumseite aufweist, wobei der Vorwärmergasauslass mit der zweiten Gasseite des zweiten Wärmetauschers (40) verbunden ist.3. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the preheater (11) has a preheater gas outlet, the device comprising a second heat exchanger (40), the second heat exchanger (40) having a second gas side and a second heat exchange medium side, the preheater gas outlet being connected to the second gas side of the second heat exchanger (40). 4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Luftzerlegung (51) aufweist, wobei die Luftzerlegung (51) einen Luftkompressor (50) aufweist, wobei der Luftkompressor (50) mit einer zweiten Turbine (41) verbunden ist, wobei die zweite Turbine (41) zum Antreiben des Luftkompressors (50) ausgebildet ist, wobei die zweite Turbine (41) mit der erste Wärmetauschmediumseite des ersten Wärmetauschers (20) über einen thyssenkrupp Industrial Solutions AG 221483P00LU thyssenkrupp AG 14.11.2022 LU103035 2/2 ersten Wärmetauschkreislauf oder mit der zweiten Warmetauschmediumseite des zweiten Warmetauschers (40) über einen zweiten Warmetauschkreislauf verbunden ist.4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device has an air separation (51), wherein the air separation (51) has an air compressor (50), wherein the air compressor (50) is connected to a second turbine (41), wherein the second turbine (41) is designed to drive the air compressor (50), wherein the second turbine (41) is connected to the first heat exchange medium side of the first heat exchanger (20) via a thyssenkrupp Industrial Solutions AG 221483P00LU thyssenkrupp AG 14.11.2022 LU103035 2/2 first heat exchange circuit or to the second heat exchange medium side of the second heat exchanger (40) via a second heat exchange circuit. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Warmetauschkreislauf ein Organic Rankine Cycle ist.5. Device according to one of claims 3 to 4, characterized in that the second heat exchange circuit is an Organic Rankine Cycle. 6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauschkreislauf mit einem Generator (61) verbunden ist.6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the first heat exchange circuit is connected to a generator (61). 7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlendioxidabtrennungsvorrichtung (32) eine Absorberstufe und/oder eine Reinigungsstufe aufweist.7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the carbon dioxide separation device (32) has an absorber stage and/or a cleaning stage. 8. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das im Materialkühler (14) erwärmte Gas zu wenigstens 95 % dem ersten Wärmetauscher (20) zugeführt wird.8. Method for operating a device according to one of the preceding claims, characterized in that the gas heated in the material cooler (14) is fed to at least 95% to the first heat exchanger (20). 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Behandlungsvorrichtung (12, 13) angereichter Sauerstoff direkt aus einer Luftzerlegung zugeführt wird.9. Method according to claim 8, characterized in that enriched oxygen is supplied to the treatment device (12, 13) directly from an air separation. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das den Materialkühler (14) durch den Kühlergasauslass (81) verlassende Gas eine Temperatur von weniger als 400 °C aufweist.10. Method according to one of claims 8 to 9, characterized in that the gas leaving the material cooler (14) through the cooler gas outlet (81) has a temperature of less than 400 °C. 11. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das im Materialkühler (14) erwärmte Gas zu % bis 70 % dem ersten Wärmetauscher (20) zugeführt wird, wobei das den 30 Materialkühler (14) durch den Kühlergasauslass (81) verlassende Gas eine Temperatur von wenigstens 400 °C, bevorzugt von wenigstens 600 °C, besonders bevorzugt von wenigstens 750 °C aufweist.11. Method for operating a device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the gas heated in the material cooler (14) is fed to 70% to the first heat exchanger (20), wherein the gas leaving the material cooler (14) through the cooler gas outlet (81) has a temperature of at least 400 °C, preferably of at least 600 °C, particularly preferably of at least 750 °C.
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