WO2011138022A1 - Verfahren zur umwandlung von carbonaten in oxide - Google Patents

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WO2011138022A1
WO2011138022A1 PCT/EP2011/002222 EP2011002222W WO2011138022A1 WO 2011138022 A1 WO2011138022 A1 WO 2011138022A1 EP 2011002222 W EP2011002222 W EP 2011002222W WO 2011138022 A1 WO2011138022 A1 WO 2011138022A1
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exhaust gas
cooling
combustion
furnace
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Thomas Stumpf
Roland Möller
Leonhard Baumann
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Ecoloop Gmbh
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    • C04B2/104—Ingredients added before or during the burning process
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • Y02P40/00—Technologies relating to the processing of minerals
    • Y02P40/40—Production or processing of lime, e.g. limestone regeneration of lime in pulp and sugar mills

Definitions

  • the present invention relates to a process for the conversion of carbonates into oxides by thermal Abspal ⁇ tion of C0 2 in calcination, in which carbonaceous fuels are burned, wherein mineral starting materials are thermally treated.
  • Increasing global warming of the near-Earth atmosphere is considered one of the greatest environmental threats of the present day.
  • Scientifically recognized causes include increasing emissions of carbon dioxide into the Earth's atmosphere, which are mainly caused by human action. These include flue gas emissions from private household heating and internal combustion engines used to drive public transport. Major issuers are also industrial processes, in particular fossil power plants for power generation.
  • Calcination furnaces usually have burner zones or burner lances for generating the required high temperatures, which can be burner systems which are equipped with a wide variety of fossil fuels,
  • CONFIRMATION COPY For example, natural gas, fuel oil, or dusty carbon carriers can be operated using air as an oxidizing gas.
  • Calcining furnaces are used, for example, on a very large scale for the production of cement, magnesia (magnesium oxide) and quick lime (calcium oxide).
  • magnesia magnesium oxide
  • quick lime calcium oxide
  • rotary kilns are used in the cement sector.
  • quick lime vertical shaft kilns have prevailed, since this kiln type is particularly suitable for the production of lumpy quicklime and compared to other types of kilns, such as.
  • Rotary kilns the advantage of a lower specific energy input, and thus also has a lower specific CO 2 emission.
  • Calcium oxide is one of the most important raw materials in the world, estimated to produce more than 250 million tonnes annually.
  • Kalkschachtöfen are supplied as raw material limestone (calcium carbonate) in different grain size, but in coarse-grained form using special feed systems at the top of the furnace shaft through the lid.
  • the limestone then passes through the furnace shaft from top to bottom, which is continuously heated by flowing from bottom to top hot gases in the preheating zone.
  • These hot gases are typically produced by direct firing of the furnace bed with fossil fuels in one or more burner zones.
  • the limestone is heated up to the core of the particles to about 900 to 1200 ° C. This results in a thermal cleavage of the Calcium carbonate instead, which is split off carbon dioxide, which then flows through the Ofenschüt- up together with the hot gases. This is also referred to as thermal deacidification, which results in burnt lime as solid residue.
  • the quicklime is after the
  • the by-product carbon dioxide mixes with the hot gases from the direct firing and leaves the furnace shaft via one or more gas outlet openings in the upper furnace shaft area, the gas is then freed of entrained dust through filter systems and usually discharged as flue gas into the atmosphere.
  • Lime shaft furnaces are generally operated with air as the oxidizing gas and have a carbon dioxide content of not more than 28% by volume in the flue gas. Due to the usually missing flue gas cleaning, the bulk material in lime shaft furnaces can only partially
  • the main disadvantage of using air as oxidation gas is that a minimum amount of air must be introduced to adjust the necessary fuel mixture, which includes such a high nitrogen capacity that the resulting hot gas and thus the gas load of the calcination furnace is very large overall. This leads, inter alia, to an energy surplus in the preheating zone of the calcination furnace, since the high amount of hot gas from the combustion zone can not completely release its energy content to the limestone and thus escapes from the combustion process into the atmosphere with increased exhaust gas temperature and leads to corresponding energy losses.
  • the exhaust gas temperatures can reach up to 400 ° C.
  • a further disadvantage of the prior art is that the large amount of nitrogen present in the air leads to a high gas load in the bed of the calcination furnace and thereby to an increased pressure loss, which requires a very large amount of energy for the delivery units for introducing combustion air and cooling air , Furthermore, this disadvantage leads to a limitation of the grain sizes of the fuel, since the high gas loads in the bed allow only relatively coarse grain sizes, which still allow sufficient void volume and thus sufficient gas permeability in the bed.
  • a possibly obvious solution could be the use of technical oxygen or oxygen enriched with technical oxygen as the oxidizing gas.
  • technical oxygen is basically that it must be obtained from the air by physical separation methods, for example by classical distillative air separation or by pressure swing adsorption in pure form. Both processes require additional expenditure of electrical energy, which in turn additionally emits CO 2 .
  • a particularly preferred embodiment of the method consists in the use of the exhaust gas as a gasification agent in a gasification in a countercurrent moving bed gasifier with solid mass flow.
  • the use as a gasification agent is also possible in large-scale established thermal process.
  • the exhaust gas could be used in the reduction zone of closed Elektriederiederschachtöfen, for example, parallel to the production of calcium carbide from carbon and quicklime, taking place oh ⁇ nehin formation of synthesis gas by paral ⁇ lele conversion of the exhaust gas with carbon with the use of ⁇ Waste heat of Elektriederiederschachtöfens can be significantly increased.
  • a similar field of application is the use of the exhaust gas as a gasification agent in reduction zones of blast furnaces, where also by Boudouard reaction a conversion in the presence of carbon to synthesis gas, parallel to the production of pig iron, can be realized.
  • Another use of the exhaust gas is to use it as a source for bioreactors, in which CO 2 - rich gases are converted into oxygen via photosynthesis.
  • algae reactors use fast-growing algae in an aqueous medium, which flows through C0 2 -containing gases in finely divided form, usually in long tubes from bottom to top.
  • C0 2 is completely or partially converted back into oxygen by photosynthesis, while the algae at the same time increase sharply due to accelerated growth of mass.
  • the UV light necessary for this purpose is usually provided by bundling sunlight and supply line by means of light guide systems in the reactors. Another possibility is the supply of artificially generated UV light.
  • the exhaust gases from the process according to the invention are particularly suitable for use in such bioreactors, since these can provide the C0 2 in concentrated form.
  • the temperature of the exhaust gas can be adjusted specifically so that the sensible residual heat of the exhaust gas in the bioreactor ensures an ideal temperature for photosynthesis and algae growth, without the need for further energy to be spent.
  • the strongly multiplying algae are taken from the algae reactor continuously or batchwise. After at least partial separation of the residual water, for example By filtration and / or drying, these algae can be used as biomass in the already described above gasification in a countercurrent moving bed gasifier with solid mass flow.
  • the exhaust gas can also be used as a raw material for the production of ultrafine limes, so-called PCC limestones.
  • PCC limestones so-called PCC limestones.
  • exhaust gas from Kalkbrennreaen which are operated with air, with submitted lime (calcium hydroxide) reacted.
  • Neutralization produces calcium carbonate, which precipitates in fine form due to its poor solubility.
  • the use of the exhaust gas from the process of the invention is very advantageous for this application, since the process for Feinstkalkbiblung can be made considerably simpler due to the lower gas flow and the non-existing nitrogen.
  • the methods mentioned can be represented considerably more economically
  • the exhaust gas can be converted by compression to above 73.7 bar (g) and 31.0 ° C in the supercritical state.
  • Supercritical C0 2 can be generated from the exhaust gas of the process according to the invention due to the high purity and non-existent nitrogen-rich, with relatively little energy.
  • C0 2 in the supercritical state is used industrially as extractant and solvent, especially in the natural product area.
  • the exhaust gas can also be liquefied and stored emission-free in the earth's crust or in the deep sea by means of the methods already described.
  • the procedure is such that exhaust gas 2, essentially containing C0 2 and water vapor produced in a calcination shaft furnace 1, is preferably sucked off after leaving the calciner shaft furnace 1 by means of an induced draft blower 3 and conducted through a filter unit 4 to separate off the dust particles.
  • This is preferably carried out at a gas temperature above 100 ° C. in order to avoid reaching the dew point and thus water condensing out in the filter unit.
  • the particularly preferred embodiment of the method shown provides that the pressure side of the suction draft fan 3 is connected correspondingly to a gas storage tank 5 and to the supply lines for cooling gas 6 and the diluting gas 7.
  • the operating pressure of the induced draft blower 3 thus also determines the operating pressure of the gas storage tank 5 and the admission pressure in the supply lines.
  • the recirculation amount of exhaust gas as a diluent gas into the combustion zone 8 is preferably controlled via the temperature 9 in the combustion zone by the control valve 10 directs a corresponding amount of exhaust gas in the combustion zone. This is preferably done by mixing the diluent gas before entering the combustion zone with the fuel 11 before entering the burner lances 12, or in the burner lances 12. In the case of solid or liquid fuels, the diluent gas can also be used as transport gas or atomizing gas for the fuel 13.
  • the recirculation amount of exhaust gas as cooling gas into the cooling zone of the calcining furnace is preferably controlled by the temperature of the calcination furnace leaving the calcination furnace in the lower part 14 by the control valve 15, the appropriate amount passes into the cooling zone.
  • a particularly preferred embodiment of the method also provides that the amount of cooling gas can be increased depending on the desired exhaust gas temperature 16 of the combustion process beyond the cooling gas requirement addition by the control valve 15 directs a correspondingly increased amount in the cooling zone.
  • the exhaust gas temperature 16, which serves as a controlled variable can be adjusted specifically above the dew point and kept constant.
  • the dosing of the technical oxygen as oxidation gas 17 preferably takes place via the burner lances 12.
  • the oxidation gas can also be mixed with the dilution gas before it enters the burner lances 18.
  • the oxidation gas may also be wholly or partly in Blend be metered with the cooling gas in the cooling zone
  • the dosage of the mineral raw material in the case of Kalkstein process limestone 20, takes place at the 0- fenkopf.
  • the resulting calcinate 21 is removed from the bottom of the furnace.
  • the discharge of the excess exhaust 22 is preferably controlled by the level of the gas storage 23, which is kept constant via the control valve 24 and the corresponding amount of exhaust gas is discharged for further use.
  • the use of the exhaust gas excess 22 can take place in various ways, as previously discussed in detail.

Abstract

Carbonate werden in Kalzinieröfen (1) unter Verbrennung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe unter Abspaltung von CO2 oxidiert. Dabei werden mineralische Ausgangsmaterialien thermisch behandelt. Es hat sich gezeigt, dass sich das Verfahren effizienter durchführen lässt, wenn im Brennstoffgemisch technischer Sauerstoff oder durch technischen Sauerstoff angereicherte Luft als Oxidationsmittel eingesetzt wird und das bei der Verbrennung entstehende CO2-haltige Abgas wenigstens teilweise als Verdünnungsgas in das Brennstoffgemisch zurückgeführt wird und/oder als Kühlgas in eine Kühlzone am unteren Ende des Kalzinierofens (1) eingeleitet wird.

Description

Verfahren zur Umwandlung von Carbonaten in Oxide
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Um- Wandlung von Carbonaten in Oxide durch thermische Abspal¬ tung von C02 in Kalzinieröfen , in welchen kohlenstoffhaltige Brennstoffe verbrannt werden, wobei mineralische Ausgangsmaterialien thermisch behandelt werden. Die zunehmende globale Erwärmung der erdnahen Atmosphäre wird als eine der größten Umweltbedrohungen der Gegenwart angesehen. Als wissenschaftlich anerkannte Ursache gelten zunehmende Emissionen von Kohlendioxid in die Erdatmosphäre, die im Wesentlichen durch menschliches Handeln hervorgerufen werden. Hierzu gehören Rauchgasemissionen aus der Beheizung privater Haushalte und aus Verbrennungsmotoren zum Antrieb von Verkehrsmitteln. Wesentliche Emittenten sind zudem industrielle Prozesse, insbesondere auch fossile Kraftwerke zur Stromerzeugung.
Neben diesen großen Kohlendioxidemittenten, existieren Prozesse mit sehr hohem Energiebedarf, die neben der C02- Emission durch Verbrennung fossiler Energieträger, zusätzlich C02 als Koppelprodukt erzeugen und somit eine sehr hohe C02-Fracht als Mischung aus Rauch- und Prozessgas emittieren, nämlich Kalzinierprozesse, die insbesondere Carbonate durch thermische Abspaltung von C02 in 0- xide umwandeln. Hierbei werden zumeist fossil beheizte Kalzinieröfen eingesetzt.
Zur Erzeugung der benötigten hohen Temperaturen weisen Kalzinieröfen zumeist Brennerzonen oder Brennerlanzen auf, bei denen es sich um Brennersysteme handeln kann, die mit den unterschiedlichsten fossilen Energieträger,
1
BESTÄTIGUNGSKOPIE wie beispielsweise Erdgas, Heizöl, oder staubförmigen Kohlenstoffträgern unter Verwendung von Luft als Oxidati- onsgas betrieben werden können.
Kalzinieröfen werden beispielsweise in sehr großem Maßstab zur Herstellung von Zement, Magnesia (Magnesiumoxid) und für Branntkalk (Calciumoxid) eingesetzt. Neben einigen speziellen Ofentypen werden Drehrohröfen im Zementbereich eingesetzt. Für die Herstellung von Branntkalk haben sich Vertikalschachtöfen durchgesetzt, da sich dieser Ofentyp besonders für die Herstellung von grobstückigem Branntkalk eignet und gegenüber anderen Ofentypen, wie z.B. Drehrohröfen, den Vorteil eines niedrigeren spezifischen Energieeinsatzes, und damit auch eine niedrigere spezifische C02-Emission aufweist.
Calciumoxid stellt weltweit einen der wichtigsten Grundstoffe dar, dessen Herstellmenge jährlich auf über 250 Millionen Tonnen geschätzt wird.
Den so genannten Kalkschachtöfen werden als Rohstoff Kalkstein (Calciumcarbonat) in unterschiedlicher Korngröße, jedoch in grobstückiger Form mit Hilfe spezieller Beschickungssysteme am oberen Ende des Ofenschachts über den Deckel zugeführt.
Der Kalkstein durchwandert dann den Ofenschacht von oben nach unten, wobei dieser kontinuierlich durch von unten nach oben strömende Heißgase in der Vorwärmzone erwärmt wird. Diese Heißgase werden in der Regel durch direkte Befeuerung der Ofenschüttung mit fossilen Brennstoffen in einer oder mehreren Brennerzonen erzeugt. In der Brennerzone bzw. in der Nähe der Brennerlanzen wird der Kalkstein bis in den Kern der Partikel auf ca. 900 bis 1200 °C erwärmt. Dadurch findet eine thermische Spaltung des Calciumcarbonats statt, wodurch Kohlendioxid abgespalten wird, das dann gemeinsam mit den Heißgasen die Ofenschüt- tung nach oben durchströmt. Man spricht hier auch von einer thermischen Entsäuerung, aus der als fester Rückstand Branntkalk resultiert. Der Branntkalk wird nach dem
Durchwandern der Brennerzone im unteren Ofenschachtbereich durch entgegenströmende Verbrennungsluft, die am Schachtboden eindosiert wird, abgekühlt, über die Entnahmevorrichtung aus dem Ofenschacht entlassen und anschließend durch Siebung in definierte Korngrößenfraktionen ü- berführt .
Das als Koppelprodukt entstehende Kohlendioxid vermischt sich mit den Heißgasen aus der Direktbefeuerung und ver- lässt den Ofenschacht über eine oder mehrere Gasaustrittsöffnungen im oberen Ofenschachtbereich, wobei das Gas anschließend über Filteranlagen von mitgerissenem Staub befreit und üblicherweise als Rauchgas in die Atmosphäre abgegeben wird. Kalkschachtöfen werden in der Regel mit Luft als Oxidationsgas betrieben und weisen im Rauchgas einen Kohlendioxidgehalt von maximal 28 Vol% auf. Durch die in der Regel fehlende Rauchgasreinigung können dem Schüttgut in Kalkschachtöfen nur bedingt
Brennstoffe zugemischt werden, die einen hohen Anteil flüchtiger organischer Verbindungen, wie z.B. im Falle von Anthrazit, aufweisen, da diese vor der Nutzung in der Brennerzone ausgetrieben und zusammen mit dem Rauchgas emittiert werden.
Das geschilderte thermische Verfahren ist sehr energieintensiv, da für die Branntkalkproduktion bis zu 4,9 GJ thermische Energie pro Tonne hergestelltem Branntkalk erforderlich sind. Das bedeutet, dass für die Beheizung der Kalzinierschachtöfen sehr große spezifische Einsatzmengen fossiler Brennstoffe erforderlich sind, die zusammen mit dem entstehenden CO2 aus der thermischen Entsäuerung des Calciumcarbonats zu einer erheblichen C02-Emission führen (siehe nachfolgende Tabelle 1)
Tabellel
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In der Vergangenheit wurden große Anstrengungen unternommen, den spezifischen Energieverbrauch des Kalkbrennprozesses und damit auch die CC>2-Emission zu senken. Durch verschiedene technische Weiterentwicklungen von Kalkschachtöfen konnte der spezifische Energieeinsatz optimiert werden. Das betrifft beispielsweise Energierückgewinnung durch optimierte Verbrennungsluftführung oder besondere Schachtkonstruktionen zur optimierten Energieverteilung. Weiterhin wurde auch eine neue Generation von Parallelschachtöfen entwickelt, in denen die Abwärme des Brennvorgangs in einem der Ofenschächte für die Vorwärmung des Kalksteins im zweiten Ofenschacht genutzt werden kann und dieser Prozess alternierend in den beiden Ofenschächten stattfindet.
Durch diesen technischen Fortschritt konnte der spezifische Energieeinsatz durch optimierte Ofentechnologie zwar beträchtlich gesenkt werden. Der Prozess weist aber unter anderem auch bedingt durch den Einsatz von Luft als Oxi- dationsgas naturgemäß einen Mindestenergiebedarf auf, der in optimal arbeitenden Schachtofenanlagen etwa im Bereich von 3,5 GJ pro Tonne hergestelltem Branntkalk liegt und nur noch unwesentlich beeinflusst werden kann. Dadurch ist auch die spezifische C02-Emission bei ca. 1 Tonne pro Tonne hergestelltem Branntkalk (am Beispiel von Anthrazit) an einem aktuell technisch machbaren Minimum ange- kommen.
Der wesentliche Nachteil bei Einsatz von Luft als Oxida- tionsgas besteht darin, dass zur Einstellung des notwendigen Brennstoffgemisches eine Mindestluftmenge eingebracht werden muss, die eine derart hohe Stickstofffrächt beinhaltet, dass die resultierende Heißgasmenge und damit die Gasbelastung des Kalzinierofens insgesamt sehr groß wird. Dies führt u.a. zu einem Energieüberschuss in der Vorwärmzone des Kalzinierofens, da die hohe Heißgasmenge aus der Brennzone ihren Energieinhalt nicht vollständig an den Kalkstein abgeben kann und somit mit erhöhter Abgastemperatur aus dem Brennprozess in die Atmosphäre entweicht und zu entsprechenden Energieverlusten führt. Je nach Ofentyp können die Abgastemperaturen bis zu 400 °C betragen. Ein weiterer wesentlicher Nachteil besteht darin, dass solche erhöhte Abgastemperaturen bei ungünstigen Prozessbedingungen und insbesondere bei Einsatz von festen Brennstoffen im Schüttgut auch zu Emissionen von Schadstoffen durch thermische Abspaltung flüchtiger organischer Bestandteile führen können. In solchen Fällen kann es erforderlich dein, das schadstoffbeladene Abgas des Brennprozesses über eine Abgas-Nachverbrennung zu führen . Der Einsatz von Luft führt somit neben den oben beschriebenen Energieverlusten zwangsläufig zu einer starken Verdünnung des Kohlendioxidanteils im Abgas von Brennprozessen. Um diesen Kohlendioxidanteil in konzentrierter Form für eine nachhaltige Speicherung zu erhalten, müssen daher analog zu C02-freien Kraftwerken technisch und energetisch aufwendige Verfahren zur Isolierung des Kohlendioxids eingesetzt werden, wie z. B. die Ad-bzw. Absorption von CO2 aus Rauchgasen mittels Wäschesystemen (siehe z. B. DE 697 26 039 T2, DE 695 03 036 T2 oder DE 10 2005 050 385 AI), die Anreicherung von C02 aus Rauchgasen über Membrantechnologien (siehe z. B. der DE 699 10 441 T2) oder das Ausfrieren von C02 aus Rauchgasen (DE 199 40 371 AI) . Weitere Verfahren sind das Einspeichern von C02 in der Tiefsee (DE 691 04 274 T2 oder DE 696 10 231 T2) oder der Erdkruste (EP 1 571 105 A2) oder die unterirdische Umwandlung von C02 in Methan durch bakterielle Konversion (EP 0 963 780 AI) .
Ein weiterer Nachteil des Standes der Technik besteht darin, dass die in der Luft vorhandene große Stickstofffracht zu einer hohen Gasbelastung in der Schüttung des Kalzinierofens und dadurch zu einem erhöhten Druckverlust führt, der einen sehr großen Energieaufwand für die Förderaggregate zur Einbringung von Verbrennungsluft und Kühlluft erfordert. Weiterhin führt dieser Nachteil zu einer Limitierung der Korngrössen des Brenngutes, da die hohen Gaslasten in der Schüttung lediglich relativ grobe Korngrössen zulassen, die noch ausreichendes Lückenvolumen und damit eine ausreichende Gasdurchlässigkeit in der Schüttung ermöglichen.
Diese Limitierung führt in Kalkwerken mit Kalzinierschachtöfen oftmals zum Anfall von unterkörnigem Kalkstein, der nicht in hochwertigen Branntkalk überführt werden kann und in minderwertige Anwendungen abgesteuert werden muss. Dies macht es besonders schwer, dem.Nachhal- tigkeitsgebot bei der Nutzung elementarer Grundstoffe Rechnung zu tragen.
Die extrem hohen Strömungsgeschwindigkeiten in der Schüttung führen zudem zu einem Austrag sehr großer Feingutfrachten über das Abgas, die aufwendig in entsprechend groß dimensionierten, nachgeschalteten Filteranlagen abgetrennt werden müssen.
Insgesamt lässt sich feststellen, dass Luft als Oxidati- onsgas zwar wirtschaftlich zugänglich ist, jedoch durch die hohe Stickstofflast zu erheblichen Nachteilen im Brennprozess führt und zudem eine Aufkonzentrierung von Kohlendioxid im Abgas erschwert.
Eine möglicherweise naheliegende Lösung könnte im Einsatz von technischem Sauerstoff oder mit technischem Sauerstoff angereicherter Luft als Oxidationsgas bestehen. Ein Nachteil bei der Verwendung von technischem Sauerstoff besteht jedoch grundsätzlich darin, dass dieser aus der Luft durch physikalische Trennverfahren, beispielsweise durch klassische destillative Luftzerlegung oder durch Druckwechseladsorption in reiner Form gewonnen werden muss. Beide Verfahren erfordern zusätzlichen Aufwand an elektrischer Energie, wodurch wiederum zusätzlich CO2 e- mittiert wird.
Der Einsatz von technischem Sauerstoff ist zudem lediglich im Fall von sehr hoch schmelzenden mineralischen Einsatzmaterialien möglich und beispielsweise in Sinterprozessen auch zur Erreichung der notwendigen Prozesstem peraturen notwendig. Bei Einsatz von Kalkstein zur Herstellung von Branntkalk führt die Verwendung von technischem Sauerstoff jedoch zu derart hohen Flammtemperaturen in der Brennzone, dass der entstehende Branntkalk anschmilzt und zu Versinterungen im Schüttgut führt. Weiterhin ist der Sauerstoffbedarf nicht ausreichend, um eine effiziente Kühlung des Schüttgutes in der Kühlzone bzw. eine effiziente Vorwärmung in der Vorwärmzone des Kalzinierofens zu gewährleisten, da der sonst in der Verbrennungsluft vorhandene Stickstoffanteil in diesem Fall als Wärmetransportträger fehlt.
Grundsätzlich stellt das dort vorgeschlagene Verfahren jedoch eine geeignete Technologie dar, mit der die C02- Bilanz von Brennprozessen nachhaltig verbessert werden könnte .
Die DE 43 24 111 AI und die DE 32 09 836 C2 beschreiben Verfahren zum Brennen mineralogischer Verbindungen in Schachtöfen.
Für die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein Verfahren bereitzustellen, das die bekannten Nachteile des Herstellungsprozesses von Branntkalk vermindert, und dabei eine günstige Energiebilanz bei minimierter
C02-Emission aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren, bei welchem im Brennstoffgemisch technischer Sauerstoff oder durch technischen Sauerstoff angereichte Luft als Oxidationsmitteln eingesetzt wird und das bei der Verbrennung entstehende, C02 enthaltende Abgas wenigstens teilweise als Kühlgas in eine Kühlzone am unteren Ende des Vertikalschachtofens eingeleitet wird und vorzugsweise wenigstens teilweise als Verdünnungsgas in das Brennstoffgemisch zurückgeführt wird. Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich überraschend herausgestellt, dass sich der Brennpro- zess durch den Einsatz von C02 als Verdünnungs- und/oder Kühlgas wesentlich besser steuern und erheblich energieeffizienter als im Luftbetrieb realisieren lässt. Dies ist vor allem bedingt durch die wesentlich höhere volumenspezifische Wärmekapazität von C02 gegenüber Stickstoff (bzw. gegenüber Luft, die im Wesentlichen aus
Stickstoff besteht) . Dies wird durch die nachstehende Tabelle (siehe Tabelle 2) verdeutlicht:
Tabelle 2
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Demnach weist C02 je nach Temperatur eine über dreifach höhere spezifische Wärmekapazität pro Volumeneinheit gegenüber Stickstoff auf (siehe Tabelle 2 Spalten 5 und 6) Das bedeutet, dass der Brennprozess sowohl in der Kühlzo ne, als auch in der Brenn- und Vorwärmzone lediglich ca. ein Drittel des Gasvolumens für die jeweiligen Wärmetransportaufgaben benötigt, als dies im Standardbetrieb unter Verwendung von Luft der Fall ist! Dadurch ergeben sich signifikante Vorteile im Brennpro- zess und dessen Energiebilanz sowie Emissionsverhalten, die nachfolgend dargestellt werden: a) Durch wesentlich geringere Gasbelastung in der
Schüttung ergeben sich dementsprechend kleinere Druckverluste. Diese lassen dann erstmals auch eine wirtschaftliche Kalzinierung auch feinerer Kornfrak tionen in Schachtöfen zu. Damit kann ein wesentlicher Beitrag zum Nachhaltigkeitsgebot geleistet wer den .
b) Im Lückenvolumen der Schüttung herrschen deutlich niedrigere Gasgeschwindigkeiten, was zu einem reduzierten Austrag von Feingut über das Abgas in die nachgeschalteten Abgasfilter führt.
c) Aufgrund der stark reduzierten Abgasmenge kann die gesamte Dimensionierung des Abgas- Filter- und Saugzugsystems wesentlich kleiner dimensioniert werden. Weiterhin können Filter-Verbrauchsmaterialien und Filter-Abreinigungsintervalle sowie ggf. Entsorgungsaufwendungen für Filterstäube eingespart werden.
d) Die gesamte technische Peripherie für die Verdichtung und Dosierung von Verbrennungs- und Kühlluft kann gänzlich entfallen und wird gleichzeitig durch das Abgas-Saugzuggebläse übernommen.
e) Die Energiebilanz des Brennprozesses wird dadurch verbessert, dass wesentlich geringere elektrische Antriebsleistungen für das Einbringen und den Abzug des Abgases des Brennprozesses aufgewendet werden müssen. Weiterhin können die Abgasmenge, sowie die Abgastemperatur auf das absolute physikalische Minimum reduziert werden. Dadurch geht erheblich wenigei Energie über die fühlbare Wärme des Abgases verloren . f) Das Abgas des Brennprozesses, wird nicht mehr in die Atmosphäre emittiert. Dadurch werden auch die sonst im Abgas in geringen Konzentrationen enthaltenen Schadstoffe wie beispielsweise Stickoxide (NOx) und Kohlenmonoxid (CO) nicht mehr in die Umwelt abgegeben .
Der Einsatz von technischem Sauerstoff als Oxidationsgas in Brennprozessen ist grundsätzlich Stand der Technik und kann ohne Probleme unter Einhaltung der gesetzlichen Vorschriften und unter Berücksichtigung notwendiger Randbedingungen zur Einhaltung von Arbeits- und Anlagensicherheit in Kalzinieröfen realisiert werden. Eine mögliche Verwendung besteht in der thermischen Verwertung des Abgases als Vergasungsmittel in Vergasungsprozessen unter Ausnutzung der Boudouard-Reaktion sowie unter reduktiven Bedingungen in Gegenwart von Kohlenstoffträgern und Temperaturen oberhalb 600 °C.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens besteht im Einsatz des Abgases als Vergasungsmittel in einer Vergasung in einem Gegenstrom-Wanderbett-Vergaser mit Feststoffmassenstrom. Der Einsatz als Vergasungsmittel ist weiterhin auch in großtechnisch etablierten thermischen Verfahren möglich. So könnte beispielsweise das Abgas in die Reduktionszone von geschlossenen Elektroniederschachtöfen eingesetzt werden, beispielsweise parallel zur Herstellung von Cal- ciumcarbid aus Kohlenstoff und Branntkalk, wobei die oh¬ nehin stattfindende Bildung von Synthesegas durch paral¬ lele Umwandlung des Abgases mit Kohlenstoff unter Ausnut¬ zung der Abwärme des Elektroniederschachtöfens signifikant erhöht werden kann. Ein ähnliches Verwendungsfeld bietet der Einsatz des Abgases als Vergasungsmittel in Reduktionszonen von Hochöfen, wo ebenfalls durch Boudouardreaktion eine Umwandlung in Gegenwart von Kohlenstoff zu Synthesegas, parallel zur Herstellung von Roheisen, realisiert werden kann.
Eine weitere Nutzung des Abgases besteht in der Verwendung als Ausgangsstoff für Bioreaktoren, in denen CO2- reiche Gase über Photosynthese in Sauerstoff umgewandelt werden .
In diesem Zusammenhang gewinnen Technologien zur Nutzung von Algenreaktoren zunehmend an Bedeutung. Diese Algenreaktoren nutzen schnellwachsende Algen in wässrigem Medium, welches von C02-haltigen Gasen in feinverteilter Form, meist in langen Röhren von unten nach oben durchströmt wird. Hierbei wird das C02 durch Photosynthese ganz oder teilweise wieder in Sauerstoff umgewandelt, während die Algen gleichzeitig infolge beschleunigten Wachstums an Masse stark zunehmen. Zur Aufrechterhaltung, bzw. Beschleunigung der Photosynthese wird das dafür notwendige UV-Licht meist durch Bündelung von Sonnenlicht und Zuleitung mittels Lichtleitersysteme in den Reaktoren bereitgestellt. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Zuführung von künstlich erzeugtem UV-Licht.
Die Abgase aus dem erfindungsgemäßen Verfahren eigen sich besonders für den Einsatz in solchen Bioreaktoren, da diese das C02 in konzentrierter Form bereitstellen können. Zusätzlich kann die Temperatur des Abgases gezielt so eingestellt werden, dass die fühlbare Restwärme des Abgases im Bioreaktor eine für die Photosynthese und das Algenwachstum ideale Temperatur gewährleistet, ohne dass hierfür weitere Energie aufgewendet werden müsste.
Die sich stark vermehrenden Algen werden dem Algenreaktor kontinuierlich oder batchweise entnommen. Nach zumindest teilweiser Abtrennung des Restwassers, beispielsweise durch Filtration und/oder Trocknung, können diese Algen als Biomasse in der bereits oben beschriebenen Vergasung in einem Gegenstrom-Wanderbett-Vergaser mit Feststoffmassenstrom eingesetzt werden.
Weiterhin kann das Abgas auch als Rohstoff für die Herstellung von Feinstkalken, so genannten PCC-Kalken eingesetzt werden. Hierbei wird üblicherweise Abgas aus Kalkbrennprozessen, die mit Luft betrieben werden, mit vorgelegter Kalkmilch (Calciumhydroxyd) zur Reaktion gebracht. Durch Neutralisation entsteht Calciumcarbonat, das aufgrund seiner Schwerlöslichkeit in feiner Form ausfällt. Der Einsatz des Abgases aus dem erfindungsgemäßen Verfahren ist für diese Anwendung sehr vorteilhaft, da das Verfahren zur Feinstkalkfällung aufgrund des niedrigeren Gasstromes und des nicht vorhandenen Stickstoffs erheblich einfacher gestaltet werden kann.
Bei der großtechnischen Herstellung von chemischen Grundstoffen, wie beispielsweise Pottasche (Kaliumcarbonat ) , Soda (Natriumcarbonat ) und Cyanamid werden C02-haltige Rauchgase als Rohstoff eingesetzt, wobei das darin enthaltene C02 als Reaktionspartner im Falle von Pottasche und Soda zur Neutralisation zur Bildung der jeweiligen Carbonate aus Kaliumhydroxyd bzw. Natriumhydroxyd dient. Bei all diesen Verfahren erweist sich der Einsatz von Rauchgasen als problematisch, da diese wie bereits oben erläutert, erhebliche Stickstoffanteile aufweisen, die zu einer hohen Gasbelastung in den jeweiligen Reaktoren und hohen Abgasmengen führen. Weiterhin muss für die Förderung/Verdichtung ein erheblicher Energieaufwand in Kauf genommen werden. Dies kann durch den Einsatz des Abgases aus dem erfindungsgemäßen Verfahren vermieden werden.
Weiterhin können die genannten Verfahren dadurch erheblich wirtschaftlicher dargestellt werden Weiterhin kann das Abgas durch Verdichtung auf oberhalb von 73,7 bar(ü) und 31,0 °C in den überkritischen Zustand überführt werden. Überkritisches C02 kann aus dem Abgas des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgrund der hohen Reinheit und der nicht vorhanden Stickstofffrächt , mit relativ geringem Energieaufwand erzeugt werden. C02 im überkritischen Zustand wird großtechnisch als Extraktionsmittel und Lösungsmittel, insbesondere im Naturstoffbereich eingesetzt.
Schließlich kann das Abgas auch verflüssigt und mittels der bereits beschriebenen Verfahren emissionsfrei in der Erdkruste oder in der Tiefsee eingespeichert werden.
Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnung näher auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eingegangen.
Hierbei wird so vorgegangen, dass in einem Kalzinier- Schachtofen 1 erzeugtes Abgas 2, im Wesentlichen enthaltend C02 und Wasserdampf nach dem Verlassen des Kalzinierschachtofens 1 vorzugsweise mittels eines Saugzuggebläses 3 abgesaugt und zur Abtrennung der Staubanteile über eine Filtereinheit 4 geführt wird. Dies wird vor- zugsweise bei einer Gastemperatur oberhalb von 100 °C durchgeführt, um das Erreichen des Taupunktes und dadurch auskondensierendes Wasser in der Filtereinheit zu vermeiden. Die gezeigte besonders bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass die Druckseite des Saug- zuggebläses 3 korrespondierend mit einem Gasspeicherbehälter 5 und mit den Zuführungsleitungen für Kühlgas 6 und das Verdünnungsgas 7 verbunden ist. Der Betriebsdruck des Saugzuggebläses 3 bestimmt damit auch den Betriebsdruck des Gasspeicherbehälters 5 und den Vordruck in den Zuführungsleitungen. Die Rückführungsmenge von Abgas als Verdünnungsgas in die Brennzone 8 wird vorzugsweise über die Temperatur 9 in der Brennzone geregelt, indem das Regelventil 10 eine entsprechende Abgasmenge in die Brennzone leitet. Dies geschieht vorzugsweise, indem das Verdünnungsgas vor Eintritt in die Brennzone mit dem Brennstoff 11 vor Eintritt in die Brennerlanzen 12, oder in den Brennerlanzen 12, gemischt wird. Im Fall von festen oder flüssigen Brennstoffen kann das Verdünnungsgas auch als Transportgas bzw. als Verdüsungsgas für den Brennstoff genutzt werden 13.
Die Rückführungsmenge von Abgas als Kühlgas in die Kühlzone des Kalzinierofens erfolgt bevorzugt geregelt über die Temperatur des den Kalzinierofens im unteren Teil verlassenden Kalzinates 14, indem das Regelventil 15 die entsprechende Menge in die Kühlzone leitet.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht darüber hinaus vor, dass die Kühlgasmenge je nach gewünschter Abgastemperatur 16 des Brennprozesses geregelt über den Kühlgasbedarf hinaus erhöht werden kann, indem das Regelventil 15 eine entsprechend erhöhte Menge in die Kühlzone leitet. Dadurch kann die Abgastemperatur 16, welche als Regelgröße dient, gezielt oberhalb des Taupunktes eingestellt und konstant gehalten werden.
Die Dosierung des technischen Sauerstoffs als Oxidations- gas 17 erfolgt vorzugsweise über die Brennerlanzen 12. Hierbei kann das Oxidationsgas vor Eintritt in die Brennerlanzen auch mit dem Verdünnungsgas vermischt werden 18.
Je nach Prozessführung bzw. Typ des verwendeten Kalzinierofens kann das Oxidationsgas auch ganz oder teilweise in Abmischung mit dem Kühlgas in die Kühlzone dosiert werden
Die Dosierung des mineralischen Ausgangsmaterials, im Falle des Kalkbrennprozesses Kalkstein 20, erfolgt am 0- fenkopf. Das erhaltene Kalzinat 21 wird am Ofenboden entnommen .
Der Abführung des Abgasüberschusses 22 erfolgt vorzugsweise geregelt über den Füllstand des Gasspeichers 23, der über das Regelventil 24 konstant gehalten und die entsprechende Abgasmenge zur weiteren Verwendung abgeführt wird.
Die Verwendung des Abgasüberschusses 22 kann auf unterschiedlichste Weise erfolgen, wie zuvor bereits ausführlich erörtert.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Umwandlung von Carbonaten in Oxide unter Abspaltung von C02 in Kalzinieröfen (1), in welchen kohlenstoffhaltige Brennstoffe verbrannt werden, wobei mineralische Ausgangsmaterialien thermisch behandelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass im Brennstoffge- misch technischer Sauerstoff oder durch technischen Sauerstoff angereichter Luft als Oxidationsmitteln eingesetzt wird und das bei der Verbrennung entstehende, C02 enthaltende Abgas wenigstens teilweise als Kühlgas in eine Kühlzone am unteren Ende des Kalzinierofens (1) eingeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das C02 enthaltende Abgas wenigstens teilweise als Verdünnungsgas in das Brennstoffgemisch zurückgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es in einem Vertikalschachtofen als Kalzinierofen durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die als Verdünnungsgas in das Brennstoffgemisch rückgeführte Abgasmenge über die Temperatur in der Brennzone (8) des Brennprozesses geregelt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die als Verdünnungsgas rückgeführte Abgasmenge in das Brennstoffgemisch vor Eintritt in die Brennzone (8) mit dem Brennstoff und/oder dem Oxidati- onsgas vermischt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die als Kühlgas rückgeführte Abgasmenge in die Kühlzone über die Temperatur des Oxides am unteren Ausgang des Vertikalschachtofens (1) geregelt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die als Kühlgas rückgeführte Abgasmenge zusätzlich über die Abgastemperatur am oberen Ausgang des Vertikalschachtofens geregelt, und zur Ü- berschreitung des Taupunktes im Abgas gegebenenfalls über den Kühlgasbedarf hinaus erhöht wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das entstandene Abgas durch Eigendruck des Kalzinierofens (1) oder mit Hilfe eines Saugzuggebläses (3) durch eine Filteranlage (4) zur Abtrennung des im Abgas enthaltenen Staubanteiles gefördert wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringung des Oxidati- onsgases zumindest teilweise durch Vermischung mit der als Kühlgas in die Kühlzone rückgeführten Abgasmenge zusätzlich oder alternativ zur Einbringung in die
Brennzone (8) erfolgt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das entstehende Abgas zumin- dest teilweise aus dem Brennprozess zur alternativen Verwendung ausgeschleust wird, wobei die Ausschleusung durch direkte Entnahme aus dem Abgassystem oder vorzugsweise über einen Gasspeicherbehälter erfolgen kann.
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