LU103187B1 - Sichere Vorbereitung von Brennstoffen im Oxyfuel-Verfahren - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage 10 zur Herstellung thermisch aktivierter Materialien, wobei die Anlage 10 eine Vorrichtung zur thermischen Aktivierung 20 aufweist, wobei die Vorrichtung zur thermischen Aktivierung 20 eine Zuführung für sauerstoffangereichertes Gas 30 aufweist, wobei die Anlage 10 eine Luftzerlegungsanlage 40 aufweist, wobei die Luftzerlegungsanlage 40 einen Sauerstoffauslass 41 für sauerstoffangereichertes Gas und einen Stickstoffauslass 42 für stickstoffangereichertes Gas aufweist, wobei der Sauerstoffauslass 41mit der Zuführung für sauerstoffangereichertes Gas 30 verbunden ist, wobei die Anlage 10 eine Verarbeitungsvorrichtung für brennbare Stoffe 50, 55, 56 aufweist, wobei die Verarbeitungsvorrichtung für brennbare Stoffe 50, 55, 56 einen Schutzgaseinlass 52 aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoffauslass 42 und der Schutzgaseinlass 52 direkt oder über eine Gaserwärmungsvorrichtung miteinander verbunden sind.
Description
thyssenkrupp Polysius GmbH 230351P00LU thyssenkrupp AG 18.08.2023 LU103187 1/6
Sichere Vorbereitung von Brennstoffen im Oxyfuel-Verfahren
Die Erfindung betrifft eine Anlage, beispielsweise zur Herstellung von Zementklinker, nach dem Oxyfuel-Verfahren mit einer sicheren Vorbereitung von Brennstoffen ohne die
Verdünnung des angereicherten Kohlendioxid-Abgasstroms.
In Anlagen zur thermischen Behandlung von Materialien, beispielsweise einer Anlage zur
Herstellung von Zement, gibt es eine Vielzahl an Vorrichtungen, welche oftmals in komplexer Weise miteinander verbunden sind. Beispielsweise haben solche Anlagen typischer Weise eine Mahlvorrichtung für Brennstoffe, beispielsweise Kohle aber auch
Ersatzbrennstoffe, zum Beispiel Biomasse. Um eine Entzündung dieser Stoffe bei der
Vermahlung zu verhindern, wird üblicherweise das Abgas der eigentlichen thermischen
Behandlung verwendet, in dem der Sauerstoff größtenteils zu Kohlendioxid umgesetzt ist. Zusätzlich eignet sich dieses Gas insbesondere bei feuchten Brennstoffen aufgrund der Restwärme auch zu der Trocknung des Brennstoffes.
Im Rahmen der Vermeidung von Kohlendioxid-Emissionen zur Reduktion des
Klimawandels werden zunehmend die Anlagen umkonzipiert. Ein wesentlicher Ansatz ist das sogenannte Oxyfuel-Verfahren. Durch den Einsatz von möglichst reinem Sauerstoff entsteht als Abgas fast reines Kohlendioxid (nach Abtrennung von Wasser), sodass eine aufwändige Trennung von Stickstoff entfällt. Um dieses effizient zu gestalten, muss vermieden werden, dass aus Nebenluftquellen andere Gase, wie zum Beispiel Stickstoff aus der Umgebungsluft in das Abgas gelangt.
Aus der DE 10 2018 206 673 A1 und der DE 10 2018 206 674 A1 sind solche Oxyfuel-
Prozesse bekannt.
Daraus ergibt sich aber nun, dass es ungünstig ist, ein solches Kohlendioxid- angereichertes Abgas durch eine Mühle zu leiten, da sich durch die unvermeidbare
Falschluft der Mühle eine ungewollte Verdünnung des Abgases ergibt. Dieses wiederum führt dazu, dass dieses Schutzgas für die Mahlvorrichtungen, insbesondere für das
Vermahlen von Brennstoffen, nicht mehr zur Verfügung steht.
thyssenkrupp Polysius GmbH 230351P00LU thyssenkrupp AG 18.08.2023 LU103187 2/6
Aufgabe der Erfindung ist es, ein für die Vermahlung brennbarer Stoffe geeignete
Atmosphäre im gesamten Anlagenverbund bereitzustellen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Anlage mit den in Anspruch 1 angegebenen
Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
Die erfindungsgemäße Anlage dient zur Herstellung thermisch aktivierter Materialien.
Beispiele für solche Anlagen finden sich beispielsweise in der Zementindustrie, beispielsweise bei der Herstellung von Klinker aus Kalkstein oder bei der thermischen
Aktivierung von Tonen. Solche Anlagen finden sich aber auch bei der Erzaufarbeitung, beispielsweise beim Abrösten von Lithiumerzen. Die Anlage weist eine Vorrichtung zur thermischen Aktivierung auf. Diese kann eine beliebige Ausführungsform nach dem
Stand der Technik aufweisen und eine Vielzahl verschiedener Ausführungsformen sind dem Fachmann geläufig. Die Vorrichtung zur thermischen Aktivierung weist eine
Zuführung für sauerstoffangereichertes Gas auf. Die Vorrichtung zur thermischen
Aktivierung wird somit nach dem Oxyfuel-Verfahren betrieben, um als Abgas ein möglichst reines Kohlendioxid zu haben, womit ein aufwändiger Abscheideprozess für das Kohlendioxid entfallen kann und Invest und Energie gespart werden kann. Die Anlage weist eine Luftzerlegungsanlage auf. Damit wird der sauerstoffreiche Gasstrom für den
Oxyfuel-Betrieb zur Verfügung gestellt. Die Luftzerlegungsanlage weist einen
Sauerstoffauslass für sauerstoffangereichertes Gas und einen Stickstoffauslass für stickstoffangereichertes Gas auf. Der Sauerstoffauslass ist mit der Zuführung für sauerstoffangereichertes Gas verbunden. Weiter weist die Anlage eine
Verarbeitungsvorrichtung für brennbare Stoffe auf. Brennbare Stoffe können beispielsweise Kohle oder auch Ersatzbrennstoffe wie Biomasse sein. Bei der
Verarbeitung brennbarer Stoffe, beispielsweise beim Vermahlen, können gerade Stäube sehr leicht brennbare oder gar explosive Gemische erzeugen, sodass eine Atmosphäre mit Sauerstoffabreicherung vorteilhaft oder gar notwendig ist. Beispielsweise wird durch die Verarbeitungsvorrichtung für brennbare Stoffe der in der Vorrichtung zur thermischen
Aktivierung benötigte Brennstoff vorbereitet. Die Verarbeitungsvorrichtung für brennbare
Stoffe weist einen Schutzgaseinlass auf.
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Erfindungsgemäß sind der Stickstoffauslass und der Schutzgaseinlass direkt oder über eine Gaserwärmungsvorrichtung miteinander verbunden. Es wird also nicht mehr wie bisher die durch die Verbrennung in der Vorrichtung zur thermischen Aktivierung abgereichertes Gas in der Verarbeitungsvorrichtung für brennbare Stoffe verwendet, damit dieses kohlendioxidhaltige Gas eben nicht durch Nebenluft in der
Verarbeitungsvorrichtung für brennbare Stoffe verdünnt wird. Stattdessen wird der
Stickstoff angereicherte Gasstrom aus der Luftzerlegungsanlage verwendet. Bevorzugt wird der Stickstoff angereicherte Gasstrom aus der Luftzerlegungsanlage hierbei über eine Gaserwärmungsvorrichtung geleitet und vorgewärmt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Verarbeitungsvorrichtung für brennbare Stoffe eine Mahlvorrichtung und/oder eine Trocknungsvorrichtung. Die
Verarbeitungsvorrichtung kann hierbei eine einfache Mühle, beispielsweise zur
Erzeugung von Kohlestaub sein. Es kann sich bei der Verarbeitungsvorrichtung um eine
Mahl- oder Brechvorrichtung mit anschließendem Steigrohrtrockner, also eine
Kombination aus Mahlvorrichtung und Trocknungsvorrichtung handeln. Dieses ist beispielsweise für Holz als Ersatzbrennstoff vorteilhaft. Oder es kann sich um eine reine
Trocknungsvorrichtung handeln, beispielsweise um Biomasse zunächst ausreichend zu entwässern. Es könne auch zwei Verarbeitungsvorrichtungen vorgesehen sein, eine als reine Trocknungsvorrichtung und eine als Kombination aus Mahlvorrichtung und
Trocknungsvorrichtung.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung zur thermischen
Aktivierung einen Materialkühler auf. Der Materialkühler ist wenigstens teilweise als
Gaserwärmungsvorrichtung verbunden, also zwischen Stickstoffauslass und
Schutzgaseinlass angeordnet. Teilweise ist bevorzugt, insbesondere ist der
Materialkühler in drei Zonen unterteil. Die erste Zone ist die heißeste, in die das heiße
Material eintritt. In dieser ersten Zone erfolgt die Kühlung mit dem sauerstoffreichen Gas, um diesen für die thermische Behandlung maximal vorzuwärmen und somit möglichst viel Wärme im Prozess zu halten. Die zweite Zone ist mit dem Stickstoffauslass verbunden und dient dazu, das stickstoffangereicherte Gas vorzuwärmen. Dadurch wird diese niederkalorische Energie genutzt, welche zudem zum Trocknen eines Materials thyssenkrupp Polysius GmbH 230351P00LU thyssenkrupp AG 18.08.2023 LU103187 4/6 ausreichend warm ist. In der letzten und kältesten dritten Zone erfolgt beispielsweise eine letzte Abkühlung mit Umgebungsluft.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung zur thermischen
Aktivierung einen Abgasauslass auf. Der Abgasauslass kann beispielsweise nach einem
Vorwärmer angeordnet sein. Es ist der Punkt, an dem der Gasstrom die Vorrichtung zur thermischen Aktivierung verlässt. Der Abgasauslass ist mit einem Wärmetauscher verbunden. Der Wärmetauscher ist als Gaserwärmungsvorrichtung verbunden. Das bedeutet, dass der Wärmetauscher auf der einen Seite einen ersten Eingang aufweist, der mit dem Abgasauslass verbunden ist. der Ausgang der ersten Seite kann beispielsweise mit einer Kohlendioxidverflüssigungsanlage verbunden sein. Die andere
Seite ist für das wärmeaufnehmende Gas und zwar das stickstoffangereicherte Gas und daher ist der Eingang der zweiten Seite mit dem Stickstoffauslass und der Ausgang der zweiten Seite mit dem Schutzgaseinlass verbunden. Bevorzugt ist der Wärmetauscher ein rekuperativer Wärmetauscher oder ein regenergierender Wärmetauscher. Besonders bevorzugt ist der Wärmetauscher ein Rotationswärmeüberträger.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Luftzerlegungsanlage eine kryogene Luftzerlegungsanlage. Zwar ist auch eine Luftzerlegung nach dem
Membranverfahren oder der Druckwechseladsorption denkbar, für die erforderliche
Menge an Sauerstoff und die gewünschte Reinheit ist aber derzeit die kryotechnische
Luftzerlegung noch vorteilhaft.
Nachfolgend ist die erfindungsgemäße Anlage anhand in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 erstes Beispiel
Fig. 2 zweites Beispiel
In Fig. 1 ist ein erstes Beispiel für eine erfindungsgemäße Anlage 10 gezeigt. Die Anlage weist eine Vorrichtung zu thermischen Aktivierung 20 auf. Die Vorrichtung zu thermischen
Aktivierung 20 weist beispielsweise eine Materialzufuhr 28 auf, über die zum Beispiel
Kalkstein zugeführt wird. Dieses zugeführte Material wird im Vorwärmer 21 vorgewärmt,
thyssenkrupp Polysius GmbH 230351P00LU thyssenkrupp AG 18.08.2023 LU103187 5/6 im Calcinator 22 calciniert und im Drehrohrofen 23 gebrannt. Das Produkt wird in einem
Materialkühler 24 gekühlt und über die Produktentnahme abgeführt.
Die eine Vorrichtung zu thermischen Aktivierung 20 wird nach dem Oxyfuel-Verfahren betrieben, also vorzugsweise mit einem möglichst hohen Sauerstoffanteil, um am Ende einen möglichst hohen Kohlendioxidanteil zu erhalten. Dazu weist die Anlage eine
Luftzerlegungsanlage 40 auf, aus der sauerstoffangereichertes Gas, beispielsweise mit über 95Vol.-% Sauerstoff aus einem Sauerstoffauslass 41 einer Zuführung für sauerstoffangereichertes Gas 30 zugeführt wird, in diesem Fall der ersten Zone 25 des
Materialkühlers 24. Dort wird das sauerstoffreiche Gas vorgewärmt und anschließend in den Drehrohrofen 23 überführt. Das aus dem Vorwärmer 21 austretende Gas wird über einen Abgasauslass 61 an eine Kohlendioxidverflüssigungsanlage 60 übergeben.
Der stickstoffangereicherte Gasstrom wird über den Stickstoffauslass 42 der zweiten
Zone 26 des Materialkühlers 24 zugeführt und dort vorgewärmt. Der vorgewärmte stickstoffangereicherte Gasstrom wird über den Schutzgaseinlass 52 einer ersten
Verarbeitungsvorrichtung für brennbare Stoffe 50, beispielsweise einer Mühle mit angeschlossenem Steigrohrtrockner, zugeführt. Über eine Brennstoffzufuhr 51 wird ein
Brennstoff zugeführt, zerkleinert und getrocknet und beispielsweise dann dem Calcinator 22 zugeführt.
Fig. 2 zeigt ein zweites Beispiel für eine erfindungsgemäße Anlage 10. Die Vorrichtung zu thermischen Aktivierung 20 entspricht dabei dem ersten Beispiel. Das sauerstoffangereicherte Gas wird direkt und ohne Vorwärmung dem Drehrohrofen 23 über die Zuführung für sauerstoffangereichertes Gas 30 zugeführt. Die Abgase werden aus dem Vorwärmer 21 über den Abgasauslass 61 zunächst einem Wärmetauscher 70 zugeführt, bevor diese in die Kohlendioxidverflüssigungsanlage 60 gelangen. Der stickstoffhaltige Gasstrom gelangt aus dem Stickstoffauslass 42 in den Wärmetauscher 70 und wird dort erwärmt. Zur Verwendung sehr feuchter Brennstoffe weist die Anlage 10 zweite Verarbeitungsvorrichtung für brennbare Stoffe 55 in Form eines Trockners und eine dritte Verarbeitungsvorrichtung für brennbare Stoffe 56 in Form einer Mühle auf.
Sowohl die zweite Verarbeitungsvorrichtung für brennbare Stoffe 55 als auch die dritte thyssenkrupp Polysius GmbH 230351P00LU thyssenkrupp AG 18.08.2023 LU103187 6/6
Verarbeitungsvorrichtung für brennbare Stoffe 56 weisen einen Schutzgaseinlass 52 auf und werden mit im Vorwärmer 70 erwärmten stickstoffhaltigem Gas versorgt.
Bezugszeichen
Anlage zur Herstellung thermisch aktivierter Materialien 20 Vorrichtung zur thermischen Aktivierung 21 Vorwärmer 22 Calcinator 23 Drehrohrofen 10 24 Materialkühler 25 erste Zone 26 zweite Zone 27 dritte Zone 28 Materialzufuhr 29 Produktentnahme 30 Zuführung für sauerstoffangereichertes Gas 40 Luftzerlegungsanlage 41 Sauerstoffauslass 42 Stickstoffauslass 50 erste Verarbeitungsvorrichtung für brennbare Stoffe 51 Brennstoffzufuhr 52 Schutzgaseinlass 55 zweite Verarbeitungsvorrichtung für brennbare Stoffe 56 dritte Verarbeitungsvorrichtung für brennbare Stoffe 60 Kohlendioxidverflüssigungsanlage 61 Abgasauslass 70 Wärmetauscher
Claims (7)
1. Anlage (10) zur Herstellung thermisch aktivierter Materialien, wobei die Anlage (10) eine Vorrichtung zu thermischen Aktivierung (20) aufweist, wobei die Vorrichtung zur thermischen Aktivierung (20) eine Zuführung für sauerstoffangereichertes Gas (30) aufweist, wobei die Anlage (10) eine Luftzerlegungsanlage (40) aufweist, wobei die Luftzerlegungsanlage (40) einen Sauerstoffauslass (41) für sauerstoffangereichertes Gas und einen Stickstoffauslass (42) für stickstoffangereichertes Gas aufweist, wobei der Sauerstoffauslass (41) mit der Zuführung für sauerstoffangereichertes Gas (30) verbunden ist, wobei die Anlage (10) eine Verarbeitungsvorrichtung für brennbare Stoffe (50, 55, 56) aufweist, wobei die Verarbeitungsvorrichtung für brennbare Stoffe (50, 55, 56) einen Schutzgaseinlass (52) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoffauslass (42) und der Schutzgaseinlass (52) direkt oder über eine Gaserwärmungsvorrichtung miteinander verbunden sind.
2. Anlage (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungsvorrichtung für brennbare Stoffe (50, 55, 56) eine Mahlvorrichtung und/oder eine Trocknungsvorrichtung ist.
3. Anlage (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur thermischen Aktivierung (20) einen Materialkühler (24) aufweist, wobei der Materialkühler (24) wenigstens teilweise als Gaserwärmungsvorrichtung verbunden ist.
4. Anlage (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur thermischen Aktivierung (20) einen Abgasauslass (61) aufweist, wobei der Abgasauslass (61) mit einem Wärmetauscher (70) verbunden ist, wobei der Wärmetauscher (70) als Gaserwärmungsvorrichtung verbunden ist.
5. Anlage (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (70) ein rekuperativer Wärmetauscher (70) oder ein regenerierender Wärmetauscher (70) ist.
thyssenkrupp Polysius GmbH 230351P00LU thyssenkrupp AG 18.08.2023 LU103187 2/2
6. Anlage (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (70) ein Rotationswarmeubertrager ist.
7. Anlage (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzerlegungsanlage (40) eine kryogene Luftzerlegungsanlage (40) ist.
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- 2023-08-21 LU LU103187A patent/LU103187B1/de active IP Right Grant
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2024
- 2024-08-14 WO PCT/EP2024/072872 patent/WO2025040528A1/de active Pending
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2025040528A1 (de) | 2025-02-27 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FG | Patent granted |
Effective date: 20250221 |