SE517124C2 - Förfarande och anordning för kalcinering - Google Patents

Description

*_ 0, 517 124 ææïfi 2 släcks sedan med grönlut i ett släckningskärl, varvid hydratiseringsvärme (qr) avges: CaO (s) + H¿O (liq) -9 Ca(OH)2 (s) + qr Den släckta kalken används sedan för den ovan beskrivna kausticeringsprocessen där grönluten àtervinns såsom,vitlut. I kalkcykeln ingår dessutom många här ej beskrivna filter- och tvättsteg.

Mesaugnarna är inte bara utrymmeskrävande, p.g.a. att flödena som skall passera är stora och uppehällstiden làng, utan de är också energikrävande. Relativt stora värmeförluster till omgivningen ger dåligt energiutnyttjande vid kalcineringen.

Användningen av fossila bränslen förorsakar också stora utsläpp av rökgaser innehållande bl.a. koldioxid och svaveldioxid och en ansenlig del av tillförd energi återfinns i de utgående avgaserna. Många ugnar är idag överbelastade, vilket leder till sämre specifik effektivitet och därmed ökad bränsleförbukning och större utsläpp. En eventuell produktionsökning i form av tillbyggnad eller förnyelse av maskinparken försvåras av att mesaugnarna är mycket platskrävande och innebär en stor investering.

Det finns även alternativa metoder för kalcinering. I t.ex.

US-4 707 350 visas kalcinering med användning av resistiv teknik. Man slipper därmed en del av de traditionella mesaugnarnas nackdelar, men förfarandet förblir mer energikrävande totalt sett än föreliggande uppfinning, p.g.a. energiförluster i den mycket stora ugn som erfordras vid användning av denna teknik. 70132; 01-05-30 qnøoo §17 124 'Vi 3 Under de senaste åren har bl.a. föreslagits mikrovàgs- eller radiovågsteknik för tillförsel av energi vid kalcineringen. I US-5 378 319 visas kalcineringsförfaranden där man nyttjar _just mikrovågsteknik. Förfarandet gör att kalcineringen utföres på några minuter. Mikrovågor används för både torkning och kalcinering av mesan. Även om dessa nyare tekniker innebär en förbättring av ekonomi och miljöpåverkan i förhållande till äldre teknik, är de fortfarande förenade med hög energiförbrukning och tekniska svårigheter.

Användning av plasmateknik vid förbränning/bränning av olika substanser finns även beskriven. I US-4 152 169 visas användning av plasmateknik vid cementtillverkning. Det angivna förfarandet har dock ett annat ändamål än föreliggande uppfinning.

Uppfinningens ändamål och viktigaste kännetecken Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att ange ett. förfarande och en anordning för kalcinering av det slag som nämns i inledningen, varvid nackdelarna med den kända tekniken undvikes och man får en lägre investering och erhåller ett snabbare, bättre reglerbart samt mindre energikrävande förfarande för kalcinering och således en lägre produktionskostnad.

Detta ändamål uppnås genom särdragen i de kännetecknande delarna av patentkraven 1 respektive 16.

Tack vare den höga effektiviteten som resulterar härav kan kalcineringsanläggningen göras mer kompakt än vid kända 70132; 01-05-30 517 124 4 ~. »un förfaranden. Kostnaden för nyinvestering eller kapacitetsökning kan hållas förhållandevis låg.

Föreliggande uppfinning bygger således på att använda plasmateknik för kalcinering av kalkråvara. Med kalkråvara avses kalciumkarbonathaltiga mineraler eller ämnen, t.ex. kalksten, mesa, dolomit, kalciumhaltiga slam. Kalkràvaran innehåller ofta även andra grundämnen än kalcium som naturliga beståndsdelar eller som tillsatser. En plasmagenerator fungerar så att en gas tillförs elektrisk energi genom en typ av ljusbåge bildad mellan elektroder, varvid gasen joniseras till viss del och bildar ett energirikt gasplasma. Gasplasmat har en temperatur på 3000-400§f vid plasmageneratorns utlopp.

Kalkràvaran blandas med den heta gasen från plasmageneratorn.

Kalcinering sker vanligtvis vid 900-ll0§C. Reaktionen är reversibel, vilket gör att temperaturen måste hållas över kalcineringstemperaturen för att inte återbildning av kalciumkarbonatet skall inträffa när koldioxid finns närvarande. Högre kalcineringstemperatur än IZOÜC bör undvikas då kalken riskerar att inaktiveras.

Genom användning av plasmateknik vid kalcineringen enligt uppfinningen kan reaktionen utföras i en kompakt reaktor med stor effektöverföring per volymenhet. Detta är möjligt tack vare att det fasta materialet i pulverform har stor yta och får god kontakt med plasmat. Genom att reaktionen enligt uppfinningen sker under denna korta tid, undviks i stor utsträckning inaktivering (s.k. ”dödbränning”) av kalken trots plasmagasens mycket höga temperatur.

Vad beträffar produktivitet har förfarandet enligt uppfinningen visat sig överlägset, jämfört med kalcinering med 70132; 01-05-30 so o Q :av os; anno ooc v u no BJ U1 nos-o 517 124 u. u.. användning av rökgas erhållen fràn eldning av fossila bränslen, eftersom traditionell teknik innebär kalcinering av agglomerat av kalkràvara, vilket ger mindre kontaktyta och därmed ineffektiv och långsam bränning. Tiden som åtgår för kalcinering i traditionella mesaugnar rör sig om timmar.

Kalcineringen åstadkommas i föreliggande uppfinning också mycket snabbare än vid förfaranden baserade på resistiv teknik, radiovàgor eller mikrovågor. Verkningsgraden för energiomvandling mellan el och plasma är ca 85-90%, under det att verkningsgraden för energiomvandlingen mellan el och mikrovàgor är endast ca 50-60%. Användning av elspiraler för överföring av värme vid kalcineringen ger även det en hög verkningsgrad (ca 90%), men får i slutändan totalt sett lägre verkningsgrad genom energiförluster i den mycket stora ugn som erfordras vid användning av denna teknik.

Utnyttjandegraden av tillförd energi hos anordningen enligt föreliggande uppfinning är, genom användning av plasmateknik vid kalcineringen och värmeväxling av samtliga flöden, mycket god. Även ur miljösynpunkt är den föreliggande uppfinningen fördelaktig. Först och främst undviks en stor mängd rökgas genom att ingen förbränning behövs vid kalcineringen eller i något annat steg i det föreliggande förfarandet. Detta ger den fördelen att man minimerar utsläppen av föroreningar som annars genereras vid förbränning, såsom t.ex. svavelföreningar.

Genom att genererad gas innehåller i huvudsak koldioxid, i stället för koldioxid utspädd i rökgaser, blir det mer ekonomiskt fördelaktigt att avtappa koldioxiden. Härigenom kan 70132; 01-05-30 no c o o o o :nu coon con 0 IÛ LJ U1 - . - . ~ - . ~ .n 5017 124 6 utsläppet av koldioxid till atmosfären i stort sett undvikas.

Härvid undviker man också rening av stora volymer avgaser.

Avtappad koldioxid kan användas som råvara t.ex. vid produktion av koldioxidgas.

Genom att det enligt uppfinningen ges möjlighet att ha övervägande koldioxidatmosfär i reaktorn, minskas bildning av oönskade kväveföreningar, såsom kväveoxider (NOx).

Många konventionella mesaugnar överbelastas idag p.g.a. de höga kostnader som nyanskaffning eller utbyggnad av mesaugnar medför. Överbelastningen medför att oljeförbrukningen blir onödigt stor. Genom att bygga till med plasmakalcinering parallellt med den gamla mesaugnen kan produktionskapaciteten höjas, samtidigt som ökade rökgasflöden undviks.

Då kalcineringsreaktionen sker snabbare vid användning av plasmateknik än den gör i traditionella mesaugnar, kan man med bibehållen kapacitet göra kalcineringsugnen mindre.

Vid en vidareutveckling av föreliggande uppfinning ingår även att efter utförd kalcinering framställa släckt kalk genom släckning med ànga, àng-gasblandningar eller vatten i vätskeform, tillförd i sådan mängd att det motsvarar behovet för släckning. Avgiven energi vid släckningen àtervinns genom värmeväxling. Detta bidrar till att göra processen energieffektiv.

Kortfattad beskrivning av ritning Ytterligare fördelar som uppnås genom användning av den föreliggande uppfinningen framgår av den följande detaljbeskrivningen, i vilken det hänvisas till bifogad ritning. På ritningen visar: 70132; 01-05-30 517 124 '''' " u. u-ø 7 figur 1, schematiskt en anordning för kalcinering med användning av plasmateknik enligt uppfinningen, och figur 2, schematiskt en alternativ anordning för kalcinering med användning av plasmateknik enligt uppfinningen.

Beskrivning av utföringsexempel Figur 1 visar en anordning för kalcinering med användning av plasmateknik, innefattande en torkanordning 2, till vilken fuktig kalkràvara tillföres på valfritt sätt för torkning.

Av energiekonomiska och miljömässiga skäl är det lämpligt att avlägsna vattnet i kalkràvaran innan kalcineringen. Eftersom kalkràvaran avvattnas mekaniskt och ev. torkas minskas utsläppen av svavelföreningar, då den natriumsulfid som eventuellt är närvarande i kalkràvaran inte kan reagera med koldioxiden och vattnet och bilda svavelväte NagS (s) + C02 (g) + H20 -) Na2CO3 (s) + HZS (g) I det föreliggande utföringsexemplet utförs torkningen med användning av torkanordningen 2, uppvärmd med t.ex. vattenånga. Vattenånga kan tillföras externt eller internt, t.ex. tas från vattenånga som genererats i släckningssteget i en värmeväxlare 20. Ett eventuellt överskott av ånga eller äng-gasblandning från släckaren kan användas som torkmedium vid torkning av kalkràvara. Andra torkmedier, såsom t.ex. koldioxid, kan också användas.

Vattenånga som avgår vid torkningen kan användas till släckning av den brända kalken. 70132; 01-05-30 ' 517 124 I o. nu. 8 Efter torkningssteget följer ett steg i vilket den torkade kalkràvaran leds med en transportör 3 från torkanordningen 2 till en pulveriseringsanordning 4 för finfördelning. Det är också möjligt att kalkràvaran redan är tillräckligt finfördelad så att pulveriseringssteget kan undvikas.

Att kalken föreligger såsom ett pulver gör att kalkens kontaktyta med plasmat blir mycket stor, varvid kontakttiden kan minimeras. Partikelstorleken kan vara i storleksordningen 1-1000 pm. Storleken anpassas efter kraven på reaktorn.

Efter pulveriseringssteget leder en transportör 5 den torkade och finfördelade kalkràvaran via en gassluss 6 in genom ett inlopp 7 i kalcineringsreaktorn 8.

Som följd av att det är koldioxidatmosfär med làg syre- och kvävehalt i kalcineringsreaktorn bildas endast obetydligt med kväveoxider.

I kalcineringsreaktorn 8 mynnar även en plasmagenerator 9 via ett inlopp 10. En gasledning 23a leder utgàngsgas (àtercirkulerad koldioxid) in i plasmageneratorn 9, för bildning av gasplasmat.

En rörledning 23b leder via ett andra inlopp 11 hjälpgas, som utgörs av àtercirkulerad koldioxid, in i kalcineringsreaktorn 8. Hjàlpgasen används för inmatning och fördelning av samt vid behov, inkommande kalkràvara, för sänkning av temperaturen.

Temperaturen vid den punkt där kalken står i kontakt med plasmat regleras via plasmageneratorns effekttillförsel och flödet av kalkràvara. 70132; 01-05-30 ps17 124 9 Den inkommande kalkràvaran kalcineras sedan under del av någon eller nâgra sekunder i kontakt med gasplasmat.

Kalcineringen kan utföras trycksatt, men företrädesvis används atmosfärstryck eller svagt över- eller undertryck.

Den brända kalken virvlar sedan i gasens flöde ut genom ett utlopp 12 i kalcineringsreaktorn 8, och förs genom en ledning 13 till en avskiljare 14, t ex en cyklon, under det att temperaturen fortsatt överstiger QOÜC. I denna àtskiljs gas (i huvudsak koldioxid) och fast material.

Det fasta materialet överförs till en släckningsanordning 16, i vilken den brända kalken släckes med vattenånga för bildning av slutprodukten släckt kalk. Naturligtvis kan även äng- gasblandningar eller vatten i vätskeform användas för släckning. Med äng-gasblandningar avses torr vattenånga utblandad med luft eller andra gaser. Med den energi som avges vid sláckningen genereras vattenånga i värmeväxlaren 20.

Vattenånga för släckning tillförs t.ex. via en rörledning 22 fràn torkanordningen 2. Energin i ångan som ej åtgår för släckning kan företrädesvis användas i andra värme/àngförbrukande processer, t.ex. för torkning av kalkràvara.

Den avskilda gasen från avskiljaren 14 leds via en gasledning 23, till vilken är kopplad en avskiljningsanordning 24, t.ex. ett filter, vilken filtrerar bort eventuellt stoft som passerar avskiljaren 14. Den inkommande gasen har i detta fall en hög temperatur, vilket gör att filter som klarar hög temperatur erfordras. 70132; 01-05-30 anno 517 124 1 x a. »nu Efter avskiljningsanordningen 24 följer en värmeväxlare 25, som även den är tillkopplad gasledningen 23. I värmeväxlaren genereras ånga fràn gasens värme. Efter värmeväxlaren 25 delar sig gasledningen 23 i de två gasledningarna 23a och 23b.

Eftersom plasmageneratorn 9 erfordrar trycksatt utgàngsgas för att övervinna tryckfallet över generatorn, behöver denna gas först komprimeras i en kompressor. Kylning är lämpligt med tanke pà att gasen skall komprimeras. Då kompressorer är känsliga för stoft och partiklar kan det även vara nödvändigt att filtrera den inkommande gasen till kompressorn.

Gasledningen 23a leder utgàngsgas (ätercirkulerad koldioxid) för plasmat via en kylare/värmevâxlare 26, vilken kyler gasen till lämplig temperatur för komprimering. Efter kylaren kan, om det finns behov för ytterligare filtrering, följa en filteranordning 27. Efter kylaren/värmeväxlaren 26 och filteranordningen 27, följer en kompressor 28, vilken komprimerar den gas som leds in i plasmageneratorn 9, där den används för bildning av koldioxidplasmat.

Det ligger även inom uppfinningens ram att den varma gasen före kylaren 26 kan värmeväxlas mot gasen efter kompressorn 28 för att höja gastemperaturen före plasmageneratorn och pà så sätt minska processens energiàtgàng.

Gasledningen 23b leder hjälpgas (koldioxid) via en kompressor 29, vilken komprimerar den gas som leds in i kalcineringsreaktorn 8, där den används som hjälpgas för inmatning och fördelning av inkommande kalkråvara, samt vid behov, för sänkning av temperaturen. 70132; 01-05-30 nu.. "_25 _51? 124 H 11 Den högkoncentrerade koldioxidgasen avtappas genom en här ej visad gasavtappningsventil vid något lämpligt ställe efter avskiljaren 14. Den bildade koldioxiden kan utnyttjas för valfritt kommersiellt ändamål, släppas ut i atmosfär eller återvinnas. Den heta koldioxidrika gasen kan, före eller efter avtappning, nyttjas för förvàrmning av kalkråvaran före kalcineringsreaktorn 8.

Figur 2 visar en alternativ anordning för kalcinering med användning av plasmateknik enligt uppfinningen. Denna är generellt anordnad på samma sätt som i anordning 1, och i de fall den inte är det, markeras detta med ytterligare hänvisningssiffror.

Utföringsformen i figur 2 skiljer sig från den första utföringsformen genom att den torkade kalkràvaran efter pulveriseringsanordningen 4 tillförs het koldioxid avledd efter avskiljaren 14 via en rörledning 30, för förvärmning av den i kalcineringsreaktorn 8 ingående torra kalkråvaran i ett förvärmningssteg 31.

Den förvärmda kalkråvaran leds sedan via en transportör 32 in i en avskiljare 33 där kalkråvara och koldioxid separeras.

Kalkråvaran fortsätter som i utföringsform l in i kalcineringsreaktorn 8 via en transportör 34. Den i avskiljaren 33 separerade koldioxiden avleds via en rörledning till filteranordningen 24.

Det ligger också inom uppfinningen att kunna utnyttja den heta koldioxiden för torkning av kalkråvaran, antingen som torkmedium i torkanordningen eller vid värmeväxling med fuktig kalkråvara. 70132; 01-05-30 _51? 124 12 U Uppfinningen kan naturligtvis varieras inom ramen för kraven och kan som exempel företas med eller utan trycksåttning eller i avsaknad av åtminstone en av avskiljningsanordningarna, samt med varierat antal och placering av värmevåxlarna. canon 70132; 01-05-30

Claims (34)

. 'i 13 PATENTKRÄV

1. Förfarande för kalcinering av kalkràvara, kännetecknat av att kalkràvara bringas i kontakt med ett plasma av koldioxid i en kalcineringsreaktor (8), varvid bränd kalk bildas.

2. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av att mesa kalcineras.

3. Förfarande enligt krav 1 eller 2, kännetecknat av att den 10 inkommande vàta kalkràvaran torkas i en torkanordning (2).

4. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat av att kalkràvaran finfördelas. 15

5. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat av att koldioxid àtercirkuleras från kalcineringsreaktorn (8) till en plasmagenerator (9) för bildning av gasplasmat.

6. Förfarande enligt något av kraven 1-5, kånnetecknat av att 20 koldioxid àtercirkuleras från kalcineringsreaktorn tillbaka till kalcineringsreaktorn (8), där det används som hjälpgas för inmatning och fördelning av inkommande kalkràvara, samt vid behov, för sänkning av temperaturen. 13325 7. Förfarande enligt krav 6, kännetecknat av att hjälpgasen š används som gasmedium för slussning av kalkràvaran in i kalcineringsreaktorn.

7. Sf 8. Förfarande enligt något av föregående krav, kånnetecknat av .rq3O att den brända kalken avskiljes från gasformiga ämnen i en nf eller flera avskiljare (14), arbetande vid en temperatur nära eller över kalcineringstemperaturen. 70132; 01-05-30

8. I 517 124 ïï' "ïfg nous. 10 15 20 (517 124 n; v.. l ) 14

9. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat av att den brända kalken släcks med vattenånga, àng-gasblandningar eller med vätskeformigt vatten.

10. Förfarande enligt krav 9, kännetecknat av att vattenångan som avges i torkningssteget används för släckning.

11. ll. Förfarande enligt något av kraven 9 eller 10, kännetecknat av att den vid släckningsreaktionen avgivna energin återvinns för t.ex. ànggenerering eller värmning av vatten.

12. Förfarande enligt något av kraven 9-ll, kännetecknat av att ånga eller ång-gasblandning som ej åtgår för släckning används som torkmedium vid torkning av kalkråvara.

13. Förfarande enligt något av föregående krav kännetecknat av att åtminstone del av ur kalcineringsreaktorn avgående het koldioxid nyttjas för vârmeväxling med antingen fuktig eller torr kalkråvara, används som torkmedium i en torkanordning (2), eller används för förvärmning av torkad kalkråvara.

14. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat av att åtminstone del av vid kalcineringsreaktionen bildad och till kalcineringsreaktorn (8) tillbakaförd koldioxid nyttjas för ångproduktion.

15. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat av att koldioxidrik processgas avtappas från processen.

16. Anordning för kalcinering av kalkråvara, kännetecknad av att den innefattar: 70132; 01-05-30 10 15 20 *_2517 124 .n o-u 15 -en plasmagenerator (9) för generering av ett gasplasma av koldioxid, och -en kalcineringsreaktor (8) i vilken kalkràvaran är anordnad att bringas i kontakt med nämnda gasplasma av koldioxid för bildande av bränd kalk.

17. Anordning enligt krav 16, kännetecknad av att den innefattar en torkningsanordning (2), för torkning av kalkràvaran före kalcineringen.

18. Anordning enligt krav 17, kännetecknad av att torkningsanordningen (2) är uppvärmd av återcirkulerad koldioxid.

19. Anordning enligt krav 17, kännetecknad av att torkningsanordningen (2) är uppvärmd av vattenånga, ång- gasblandning eller något annat torkmedium såsom rökgas.

20. Anordning enligt något av kraven 16-19, kännetecknad av att den innefattar en pulveriseringsanordning (4) för finfördelning av kalkràvaran före kalcineringen.

21. Anordning enligt något av kraven 16-20, kännetecknad av att den innefattar en släckningsanordning (16), för släckning av den brända kalken med vattenånga och/eller äng-gasblandningar, eller med vätskeformigt vatten.

22. Anordning enligt kravet 21, kännetecknad av att den innefattar en värmeväxlare (20), för tillvaratagande av vid släckningsreaktionen avgiven energi. 70132; 01-05-30 10 15 20 .- ma»

23. Anordning enligt något av kraven 16 - 22, kännetecknad av att den innefattar en vàrmeväxlare/kylare (26), för kylning av utgàngsgasen för plasmat före plasmageneratorn (9).

24. Anordning enligt något av kraven 16-23, kännetecknad av att den innefattar ett eller flera filter (27), för filtrering av utgàngsgasen för plasmat före plasmageneratorn (9).

25. Anordning enligt något av kraven 16-24, kännetecknad av att den innefattar en kompressor (28), för trycksättning av koldioxidgasen före plasmageneratorn (9).

26. Anordning enligt något av kraven 16-25, kånnetecknad av att den innefattar organ för tillförsel av hjälpgas till kalcineringsreaktorn (8) för inmatning och distribution av kalkràvara.

27. Anordning enligt krav 26, kännetecknad av att den innefattar en kompressor (29), för trycksättning av hjälpgasen innan den leds in i kalcineringsreaktorn (8).

28. Anordning enligt något av kraven 16-27, kännetecknad av att den innefattar minst en avskiljare (14) för separation av bränd kalk och gasformiga ämnen efter kalcineringsreaktorn.

29. Anordning enligt kravet 28, kånnetecknad av att den innefattar en eller flera värmeväxlare (25) vilken/vilka är belägen/belägna efter avskiljaren (14), för energiàtervinning genom värmeväxling med gas utgående från kalcineringsreaktorn.

30. Anordning enligt något av kraven 16-29, kånnetecknad av att den innefattar en gassluss (6) för kalkråvaran, för åstadkommande av koldioxidatmosfär i kalcineringsreaktorn. 70132; 01-05-30 .nano noen: 10 15 .~ -.- i 17

31. Anordning enligt nàgot av kraven 28 - 30, kånnetecknad av ett eller flera filter (24), vilket/vilka är beläget/belägna efter avskiljaren (14), för filtrering av gasen fràn kalcineringsreaktorn.

32. kännetecknad av Anordning enligt något av kraven 28 - 31, organ (30,3l) för att förvärma kalkràvara med het koldioxid avledd från avskiljaren (14).

33. Anordning enligt något av kraven 28 - 32, kännetecknad av organ för att nyttja åtminstone del av ur kalcineringsreaktorn avgående het koldioxid för värmeväxling med kalkrávara.

34. Anordning enligt något av kraven 28 - 32, kännetecknad av organ för att medge användning av het koldioxid som torkmedium i en torkanordning (2). 70132; 01-05-30 _ 517 124 "