WO2016173795A1 - Anlage und verfahren zur thermischen behandlung von flugfähigem rohmaterial - Google Patents

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WO2016173795A1
WO2016173795A1 PCT/EP2016/057073 EP2016057073W WO2016173795A1 WO 2016173795 A1 WO2016173795 A1 WO 2016173795A1 EP 2016057073 W EP2016057073 W EP 2016057073W WO 2016173795 A1 WO2016173795 A1 WO 2016173795A1
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WO
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gas
section
hot gas
riser
hot
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PCT/EP2016/057073
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jost Lemke
Claudia Berger
Kathrin Rohloff
Original Assignee
Thyssenkrupp Industrial Solutions Ag
Thyssenkrupp Ag
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Publication date
Application filed by Thyssenkrupp Industrial Solutions Ag, Thyssenkrupp Ag filed Critical Thyssenkrupp Industrial Solutions Ag
Publication of WO2016173795A1 publication Critical patent/WO2016173795A1/de

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J6/00—Heat treatments such as Calcining; Fusing ; Pyrolysis
    • B01J6/001—Calcining
    • B01J6/004—Calcining using hot gas streams in which the material is moved
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B20/00—Use of materials as fillers for mortars, concrete or artificial stone according to more than one of groups C04B14/00 - C04B18/00 and characterised by shape or grain distribution; Treatment of materials according to more than one of the groups C04B14/00 - C04B18/00 specially adapted to enhance their filling properties in mortars, concrete or artificial stone; Expanding or defibrillating materials
    • C04B20/02—Treatment
    • C04B20/04—Heat treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B7/00—Hydraulic cements
    • C04B7/12—Natural pozzuolanas; Natural pozzuolana cements; Artificial pozzuolanas or artificial pozzuolana cements other than those obtained from waste or combustion residues, e.g. burned clay; Treating inorganic materials to improve their pozzuolanic characteristics

Definitions

  • the invention relates to a system and a method for the thermal treatment of flyable raw material, in particular for the heat treatment of natural clays and / or zeolites.
  • DE 10 2008 020 600 A1 discloses a process for the calcination of clay or gypsum, wherein the solids are passed through a flash reactor in which they are brought into contact with hot gases at a temperature of 450 to 1500 ° C become. The solids are then passed through a residence time reactor at a temperature of 500 to 850 ° C and then optionally fed to a further treatment stage.
  • Naturally occurring clays are usually rich in iron, so that it comes in the conventional calcination to a reddish discoloration of the product. Although this coloring is not relevant for the strength, it is classified as undesirable by plant operators and building material customers. According to the current state of the market potential of the calcined clays depends essentially on their color.
  • WO 2012/082683 AI has therefore set itself the task to produce synthetic pozzolans with desired color properties, in particular a slight gray tone.
  • a raw material suitable for forming an amorphous aluminum silicate is heated to an activation temperature at which the raw material is converted into synthetic Puzzolan is converted.
  • the synthetic pozzolan is cooled from the activation temperature to a temperature at which it is color-stable. This cooling process takes place at least partially under reducing conditions. The result is a pozzolan with the desired shade of gray.
  • the invention is an object of the invention to provide a system and a method for the thermal treatment of flyable raw material, in particular a system and a method which is suitable for heat treatment of natural clays and / or zeolites and by a lower cost to realize a gray Hues distinguished.
  • this object is achieved by a plant for the thermal treatment of flyable raw material, wherein a hot gas flowing through the riser, the means for adding the raw material and means for supplying the hot gases and a separator for separating the raw material are provided by the hot gas, wherein the riser a first section, in which a constricting section adjoins a cross-sectional area narrowed in relation to the first section in the flow direction of the hot gas, and wherein a swirling section adjoins the constricting section in the direction of flow of the hot gas with a cross-sectional area greater than the first section of the riser and in the area of the constricting portion, one or more first gas supply means are provided.
  • the raw material is supplied to a riser through which flows hot gases and thermally treated in the riser by the hot gases before it is separated from the hot gas in a separator.
  • the hot gas flows through after a first portion of the riser a constriction section with a reduced cross-section with respect to the first Querterrorismsfikiee and subsequently flows through a swirling section with respect to the first portion of the Riser tube larger cross-sectional area, wherein in the region of the constriction section, a gas is supplied via one or more first gas supply means.
  • the first section of the riser serves for the actual thermal treatment, in particular the calcination of the raw material under reducing conditions.
  • the swirling section then primarily serves to after-burn the gases, so that no unburned substances (especially CO) leave the plant. Otherwise, this would not be necessary for the material properties of the raw material.
  • care must be taken to ensure that it is as near stoichiometric as possible, since at this point the material is still present and should not be reoxidized and reddened by too high a supply of oxygen.
  • no visible flames i. There must be no temperature peaks, as this would not tolerate the material and could cake.
  • the thermal treatment (calcination) under reducing conditions has the advantage that the bivalent iron already present in the naturally occurring clay, which has the desired gray traction, does not first undergo the conventional oxidizing action Calcination is converted into trivalent iron with a reddish appearance, and then reduced to divalent iron during cooling under reducing conditions.
  • a reduction of the reddish-coloring trivalent iron to the divalent iron takes place. This reduces the amount of reducing agent required to reduce the trivalent iron.
  • the Verwirbelungs section also allows as possible complete implementation of entrained in hot gas carbon monoxide or hydrogen.
  • a second section of the riser pipe having a cross-sectional area larger than the narrowed cross-sectional area of the necking section and smaller than or equal to the cross-sectional area of the swirling outgrass.
  • guide elements for influencing the hot gas flow or for deflecting the hot gas flow into the swirling section can be provided in the area between the constriction section and the swirl section.
  • guide elements are in particular internals in the riser, such as a so-called flower mixer, or even embodiments of the edge region of the riser meant.
  • the guide elements are expediently oriented in such a way that they produce a deflection component directed radially outward in the direction of flow of the hot gas stream on the hot gas stream.
  • the gas supply means provided in the region of the constriction section are arranged either in the constriction section or in front of or behind the constriction section.
  • constriction section and the swirling section are largely rotationally symmetrical about a common central axis.
  • At least 2, preferably 3, most preferably 5, and ideally more than 5 individual gas supply means are mounted in the area of the constriction section. These gas supply means are preferably distributed over the circumference of the riser, to allow the most uniform possible supply of the gas.
  • second gas supply means can be provided to assist the swirling, which are aligned in such a way that a gas supplied via the second feed means has a direction component which is largely opposite to the flow direction of the hot gas. In this way, the turbulence of the hot gas flow in this area can be further enhanced.
  • gas injection feeds can be provided, which are connected to a gas shock generating device and supply gas blows for further assisting the swirling.
  • the supplied gas blasts may be, for example, air or recirculated gases, C0 2 -, N 2 -containing gases and the like.
  • the gas supplied via the first gas supply means in the region of the constriction section is preferably an oxygen-containing gas which has an oxygen concentration (relative to moist gas) of less than 17%, preferably less than 13%, most preferably less than 10%. This makes it easier to control the reducing conditions in the riser.
  • the temperature of the oxygen-containing gases should be at least 120 ° C in order to avoid unnecessary cooling of the hot gases and to effect a damped reaction.
  • the gas supplied in the swirling section via the second gas supply means is preferably combustion air or other oxygen-containing gas supplied with a directional component which is substantially opposite to the flow direction of the hot gas.
  • the hot gas is supplied as reducing hot gas to the riser, which is reacted in the course at a temperature below 1150 ° C without visible flame.
  • the total concentration of carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) in the hot gas upstream of the first gas supply means should be more than 2%, preferably more than 5%, most preferably more than 8%.
  • an ammonia-containing reducing agent for nitrogen oxide reduction are added.
  • combustion air and / or fuel and / or further hot gas can be supplied to the riser pipe at suitable locations, the respective quantities being supplied via a signal of an extractive and / or in situ gas analysis, which is at the end of the system or in the further course of the exhaust stream of the system, are regulated. Also, the amount of oxygen-containing gas which is supplied via the first gas supply means in the region of the constricting section, via a signal of an extractive and / or in-situ gas analysis, which is located at the end of the system or in the further course of the exhaust stream of the plant, regulated.
  • Fig. 2 is an enlarged view of the detail X according to a first
  • Fig. 3 is an enlarged view of the detail X according to a second
  • Fig. 3 is an enlarged view of the detail X according to a third
  • Embodiment and 4 is an enlarged view of the detail X according to a fourth
  • the plant shown in FIG. 1 for the thermal treatment of flightable raw material constitutes a plant for the heat treatment of natural clays and / or zeolites and consists essentially of a preheater 1, a calcination and reduction reactor 2 and a cooler 3.
  • the preheater 1 is here as a two-stage cyclone preheater with a first and a second cyclone 10, 11 is formed.
  • a treatable, flyable raw material 4 which is for example iron-containing clay, is introduced into the exhaust gas 12 flowing from the second cyclone 11 to the first cyclone 10.
  • the material is separated from the gas and added to a led from the calcination and reduction reactor 2 to the second cyclone 11 exhaust 21.
  • the raw material 4 is thus preheated in the preheater 1 with the exhaust gases of the calcination and reduction reactor 2, to then be supplied to the calcination and reduction reactor 2 as preheated raw material 40.
  • the calcination and reduction reactor 2 is designed as a flow current calciner with a riser 22 and a separator 23 adjoining thereto.
  • the energy supply for the calcination and reduction reactor 2 takes place in the illustrated embodiment substantially via a combustion unit 5 for generating a hot gas 53 by a stoichiometric combustion of fuel 51 and preheated combustion air 52. Furthermore, the calcination and reduction reactor 2 in one or more levels fuel or reducing hot gas via task locations 24, 25 may be added. In a corresponding manner, feed points 26, 27 can be provided for additional combustion air.
  • the calcination and reduction reactor 2 is operated at least so that set reducing conditions.
  • the residual oxygen content of the hot gas 53 in the gas phase is less than 17%, preferably less than 13%, most preferably less than 10% and the concentration of reducible gases (such as CO or H 2 ) in the range of more than 2%, preferably more than 5%, most preferably more than 8%.
  • reducible gases such as CO or H 2
  • the exhaust gas 21 is separated from the calcined material 41, wherein the calcined material 41 passes at a temperature in the range of 600 to ⁇ 900 ° C in the cooler 3, which is also operated reducing or at least inert.
  • the cooler 3 is formed as a fluid bed cooler with indirect water cooling, which includes a cooling water inlet 31 and a cooling water outlet 32. About a heat exchanger, not shown, a circulation can be provided for the cooling water used.
  • a cold fluidized bed fluidizing gas 33 is supplied to the radiator, wherein the heated fluidized bed fluidizing gas 34 is expediently passed through a heat exchanger 6 to be supplied to the cooling zone as cold fluidized bed fluidizing gas 33 after cooling.
  • the fluidized bed fluidizing gas 33 may also be partially formed by a portion of the reducing hot gases 53 of the combustion unit 5.
  • the heat exchanger 6 is operated with cold air 61, which is then used after heating as preheated combustion air 52 in the combustion unit 5.
  • a part of the heated fluidized bed fluidizing gas 34 may be introduced into the calcination and reduction reactor 2 to compensate.
  • the cooler 3 the cooled to below 250 ° C finished product 42 is discharged.
  • the riser 22 is designed in the area X in a special way, on the one hand to cause as complete as possible thermal reaction of the hot gas and on the other hand to allow efficient thermal treatment of flyable raw material under reducing conditions.
  • this region X of the riser are given.
  • the riser 22 has a first section 220 in the region X, to which a constriction section 221 adjoins in the flow direction 530 of the hot gas 53 a cross-sectional area narrowed with respect to the first section 220.
  • a swirling section 222 with a relation to the first portion 220 of the riser 22 larger cross-sectional area.
  • the swirling portion 222 is adjoined by a second portion 223 of the riser 22 having a cross-sectional area larger than the narrowed cross-sectional area of the constricting portion 221 and smaller than or equal to the cross-sectional area of the swirling portion 222.
  • guide elements 224 are provided, which can be formed for example by a so-called flower mixer. These guide elements are intended to generate a radially outwardly directed deflection component on the hot gas flowing from below to above, so that turbulence 531 drawn in the swirling chamber 222 occurs.
  • the constriction portion 221 and the swirling portion 222 are aligned substantially rotationally symmetrical about a common center axis.
  • first gas supply means 225 are provided, which are formed for example as a loop and a gas, in particular Nachverbrennungs Kunststoff with an oxygen concentration of less than 17%, preferably less than 13%, most preferably less than 10%> feeds via separate feed openings.
  • the first gas supply means 225 have at least 2, preferably 3, most preferably 5, ideally more than five individual feed openings in order to be able to introduce the gas distributed as evenly as possible over the circumference.
  • second gas supply means 226 for supporting the swirls 531 are provided and oriented such that a gas recirculated via the second gas supply means 226 is one of the Flow direction of the hot gas 530 has largely opposite direction component in the riser.
  • the gas supplied via this serves on the one hand to support the turbulence and on the other hand as a post-combustion gas.
  • Fig. 3 shows a second embodiment, wherein the same reference numerals have been used for the same components.
  • the swirling portion of the riser 22 is formed like a barrel with curved outer surfaces, while in the embodiment of FIG. 2 for the swirling portion a more edgy design has been selected.
  • first and second gas supply means 225 and 226 are also provided here.
  • gas blower feeders 227 may be provided which are in communication with a corresponding gas blower generating means and supply gas shocks, for example, air surges, to assist the swirling.
  • FIG. 4 shows an embodiment which essentially corresponds to the exemplary embodiment according to FIG. 2, whereby after the second section 223 a second constriction section 22 and a second swirl section 222 'follow.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 5 is again a doubling of constriction and swirling section according to FIG. 3.
  • the flames that may form are constantly being torn off so that a flameless afterburning of the hot gas stream can take place in the area of turbulence zone 222 or 222 '.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur thermischen Behandlung von flugfähigem Rohmaterial, wobei ein von Heißgasen durchströmtes Steigrohr, das Mittel zur Zugabe des Rohmaterials und Mittel zur Zuführung der Heißgase aufweist und ein Abscheider zur Trennung des Rohmaterials vom Heißgas vorgesehen ist, wobei das Steigrohr einen ersten Abschnitt aufweist, an dem sich in Strömungsrichtung des Heißgases ein Einschnürungsabschnitt mit einer gegenüber dem ersten Abschnitt verengten Querschnittsfläche anschließt, und dass sich an den Einschnürungsabschnitt in Strömungsrichtung des Heißgases ein Verwirbelungsabschnitt mit einer gegenüber dem ersten Abschnitt des Steigrohres größeren Querschnittsfläche anschließt und im Bereich des Einschnürungsabschnitts ein oder mehrere erste Gaszuführungsmittel vorgesehen sind.

Description

Anlage und Verfahren zur thermischen Behandlung von flugfähigem Rohmaterial
Die Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zur thermischen Behandlung von flugfähigem Rohmaterial, insbesondere zur Wärmebehandlung von natürlichen Tonen und/oder Zeolithen.
Vor dem Hintergrund der globalen Minderung der C02-Emissionen rücken Stoffe, die zur Festigkeitsentwicklung im Beton beitragen und bei deren Herstellung weniger C02 als im Zementklinkerbrennprozess freigesetzt wird, immer mehr in den Fokus. Natürliche Tone und/oder Zeolithe, welche einer thermischen Behandlung (Calcination) unterzogen werden, scheinen hierbei ein vielversprechendes Potenzial zu besitzen.
So ist aus der DE 10 2008 020 600 AI ein Verfahren zur Calcinierung von Ton oder Gips bekannt, wobei die Feststoffe durch einen Flash-Reaktor hindurch geführt werden, in welchem sie bei einer Temperatur von 450 bis 1500°C mit heißen Gasen in Kontakt gebracht werden. Die Feststoffe werden anschließend bei einer Temperatur von 500 bis 850°C durch einen Verweilzeitreaktor geführt und dann ggf. einer weiteren Behandlungsstufe zugeführt.
Natürlich vorkommende Tone sind meist eisenreich, sodass es bei der herkömmlichen Calcinierung zu einer rötlichen Verfärbung des Produktes kommt. Diese Färbung ist zwar für die Festigkeit nicht relevant, wird aber von Anlagenbetreibern und Baustoffkunden als unerwünscht eingestuft. Nach derzeitigem Stand hängt das Marktpotenzial der calcinierten Tone aber wesentlich von deren Farbe ab.
In der WO 2012/082683 AI hat man sich daher zur Aufgabe gestellt, synthetische Puzzolane mit gewünschten Farbeigenschaften, insbesondere einem leichten Grauton, herzustellen. Als Lösung wird angegeben, dass ein Rohmaterial, welches zur Bildung eines amorphen Aluminiumsilikats geeignet ist, bis zu einer Aktivierungstemperatur erwärmt wird, bei der das Rohmaterial in synthetisches Puzzolan umgewandelt wird. Anschließend wird das synthetische Puzzolan von der Aktivierungstemperatur bis auf einer Temperatur abgekühlt, bei der es farbstabil ist. Dieser Abkühlprozess findet dabei zumindest zu Teilen unter reduzierenden Bedingungen statt. Als Ergebnis erhält man dann ein Puzzolan mit dem gewünschten Grauton.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Anlage und ein Verfahren zur thermischen Behandlung von flugfähigem Rohmaterial anzugeben, insbesondere eine Anlage und ein Verfahren, die zur Wärmebehandlung von natürlichen Tonen und/oder Zeolithen geeignet ist und sich durch einen geringeren Aufwand zur Realisierung eines grauen Farbtons auszeichnet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Anlage zur thermischen Behandlung von flugfähigem Rohmaterial gelöst, wobei ein von Heißgasen durchströmtes Steigrohr, das Mittel zur Zugabe des Rohmaterials und Mittel zur Zuführung der Heißgase aufweist und einen Abscheider zur Trennung des Rohmaterials vom Heißgas vorgesehen sind, wobei das Steigrohr einen ersten Abschnitt aufweist, an dem sich in Strömungsrichtung des Heißgases ein Einschnürungsabschnitt mit einer gegenüber dem ersten Abschnitt verengten Querschnittsfiäche anschließt, und wobei sich an den Einschnürungsabschnitt in Strömungsrichtung des Heißgases ein Verwirbelungsabschnitt mit einer gegenüber dem ersten Abschnitt des Steigrohres größeren Querschnittsfiäche anschließt und im Bereich des Einschnürungsabschnitts ein oder mehrere erste Gaszuführungsmittel vorgesehen sind.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur thermischen Behandlung von flugfähigem Rohmaterial wird das Rohmaterial einem von Heißgasen durchströmten Steigrohr zugeführt und im Steigrohr durch die Heißgase thermisch behandelt, bevor es in einem Abscheider vom Heißgas getrennt wird. Das Heißgas durchströmt nach einem ersten Abschnitt des Steigrohres einen Einschnürungsabschnitt mit einer gegenüber dem ersten Abschnitt verengten Querschnittsfiäche und durchströmt nachfolgend einen Verwirbelungsabschnitt mit einer gegenüber dem ersten Abschnitt des Steigrohres größeren Querschnittsfläche, wobei im Bereich des Einschnürungsabschnitts ein Gas über ein oder mehrere erste Gaszuführungsmittel zugeführt wird.
Der erste Abschnitt des Steigrohres dient der eigentlichen thermischen Behandlung, insbesondere der Calcinierung des Rohmaterials unter reduzierenden Bedingungen. Der Verwirbelungsabschnitt dient dann vornehmlich dazu, die Gase nachzuverbrennen, damit keine unverbrannten Stoffe (insb. CO) die Anlage verlassen. Für die Materialeigenschaften des Rohmaterials wäre dies ansonsten nicht erforderlich. Bei dieser Nachverbrennung muss dafür Sorge getragen werden, dass diese möglichst nah - stöchiometrisch erfolgt, da an dieser Stelle das Material noch dabei ist und nicht durch ein zu hohes Sauerstoffangebot wieder aufoxidiert und rötlich werden soll. Außerdem darf keine sichtbare Flammen, d.h. es dürfen keine Temperaturspitzen auftreten, da dies das Material nicht verträgt und anbacken könnte. Aus diesem Grund wird der zusätzliche Aufwand mit einem Verwirbelungsabschnitt in Kauf genommen, in dem eine gleichmäßige Verwirbelung erfolgt und mit der Einbringung möglichst sauerstoffabgereicherter„Luft", welche vorgewärmt, also zäher ist, die Vermischung und Nachverbrennung langsam, aber gleichmäßig über einen größeren Raum verteilt - und nicht punktuell und mit Temperaturspitzen - erfolgt.
Handelt es sich bei dem flugfähigen Rohmaterial um Ton und/oder Zeolith hat die thermische Behandlung (Calcinierung) unter reduzierenden Bedingungen den Vorteil, dass das im natürlich vorkommenden Ton bereits vorhandene zweiwertige Eisen, welches die gewünschte graue Fahrtwirkung hat, nicht erst durch die herkömmliche oxidierende Calcination in dreiwertiges Eisen mit rötlichem Erscheinungsbild umgewandelt wird, um anschließend bei der Kühlung unter reduzierenden Bedingungen wieder in zweiwertiges Eisen zu reduzieren. Es findet somit bereits während der Calcination unter reduzierenden Bedingungen eine Reduktion des rötlichfärbenden dreiwertigen Eisens auf das zweiwertige Eisen statt. Dies verringert die für die Reduktion des dreiwertigen Eisens erforderliche Menge an Reduktionsmittel. Der Verwirbelungsabschnitt ermöglicht zudem eine möglichst vollständige Umsetzung des in Heißgas mitgeführten Kohlenmonoxids bzw. Wasserstoffs.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung schließt sich in Strömungsrichtung des Heißgases an den Verwirbelungsabschnitt ein zweiter Abschnitt des Steigrohres mit einer Querschnittsfiäche an, die größer als die verengte Querschnittsfiäche des Einschnürungsabschnitts und kleiner oder gleich der Querschnittsfiäche des Verwirbelungsabschmttes ist. Weiterhin können im Bereich zwischen dem Einschnürungsabschnitt und dem Verwirbelungsabschnitt Leitelemente zur Beeinflussung des Heißgasstromes oder zur Umlenkung des Heißgasstromes in den Verwirbelungsabschnitt vorgesehen werden. Unter Leitelementen sind dabei insbesondere Einbauten im Steigrohr, wie beispielsweise ein sogenannter Blütenmischer, oder aber auch Ausgestaltungen des Randbereichs des Steigrohres gemeint. Die Leitelemente sind zweckmäßigerweise derart ausgerichtet, dass sie auf dem Heißgasstrom eine in Strömungsrichtung des Heißgasstroms radial nach außen gerichtete Ablenkungskomponente erzeugen.
Die im Bereich des Einschnürungsabschnittes vorgesehenen Gaszuführungsmittel sind entweder im Einschnürungsabschnitt oder vor oder hinter dem Einschnürungsabschnitt angeordnet.
Des Weiteren hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Einschnürungsabschnitt und der Verwirbelungsabschnitt weitgehend rotationssymmetrisch um eine gemeinsame Mittelachse ausgerichtet sind. Im Bereich des Einschnürungsabschnittes sind wenigstens 2, vorzugsweise 3, höchstvorzugsweise 5, und idealerweise mehr als 5 einzelne Gaszuführungsmittel angebracht. Diese Gaszuführungsmittel sind vorzugsweise über den Umfang des Steigrohres verteilt angeordnet, um eine möglichst gleichmäßige Zuführung des Gases zu ermöglichen. Im Verwirbelungsabschnitts können zur Unterstützung der Verwirbelung zweite Gaszuführungsmittel vorgesehen werden, die derart ausgerichtet sind, dass ein über die zweiten Zuführungsmittel zugeführtes Gas eine der Strömungsrichtung des Heißgases weitgehend entgegensetzte Richtungskomponente aufweist. Auf diese Weise kann die Verwirbelung des Heißgasstromes in diesem Bereich weiter verstärkt werden. Des Weiteren können im Bereich des Verwirbelungsabschnittes Gasstoßzuführungen vorgesehen werden, die mit einer Gasstoßerzeugungseinrichtung in Verbindung stehen und zur weiteren Unterstützung der Verwirbelung Gasstöße zuführen. Bei den zugeführten Gasstößen kann es sich beispielsweise um Luft oder um rezirkulierte Gase, C02-, N2haltige Gase und dergleichen handeln.
Das über die ersten Gaszuführungsmittel im Bereich des Einschnürungsabschnitts zugeführte Gas ist vorzugsweise ein sauerstoffhaltiges Gas, das eine Sauerstoffkonzentration (bezogen auf feuchtes Gas) von weniger als 17%, vorzugsweise weniger als 13%, höchstvorzugsweise weniger als 10% aufweist. Auf diese Weise lassen sich die reduzierenden Bedingungen im Steigrohr leichter kontrollieren. Die Temperatur der sauerstoffhaltigen Gase sollte wenigstens 120 °C betragen, um eine unnötige Abkühlung der Heißgase zu vermeiden und eine gedämpfte Umsetzung zu bewirken. Auch bei dem im Verwirbelungsabschnitt über die zweiten Gaszuführungsmittel zugeführten Gas handelt es sich vorzugsweise um Verbrennungsluft oder ein anderes sauerstoffhaltiges Gas, dass mit einer Richtungskomponente zugeführt wird, die der Strömungsrichtung des Heißgases weitgehend entgegengesetzt ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung, insbesondere bei der Wärmebehandlung von Tonen und/oder Zeolithen wird das Heißgas als reduzierendes Heißgas dem Steigrohr zugeführt, das im weiteren Verlauf bei einer Temperatur unter 1150°C ohne sichtbare Flamme umgesetzt wird. Dabei sollte die Gesamtkonzentration von Kohlenstoffmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) im Heißgas in Strömungsrichtung vor den ersten Gaszuführungsmitteln mehr als 2%, vorzugsweise mehr als 5%, höchstvorzugsweise mehr als 8% getragen. Des Weiteren kann im Bereich des Verwirbelungsabschnittes ein ammoniakhaltiges Reduktionsmittel für die Stickoxidminderung zugegeben werden.
Weiterhin werden unter Verwirbelungen nicht nur ein Makrowirbel, sondern auch lokale kleine Verwirbelungen verstanden. Um die für die thermische Behandlung des Rohmaterials erforderliche Wärme zu erzeugen, kann dem Steigrohr an geeigneten Stellen Verbrennungsluft und/oder Brennstoff und/oder weiteres Heißgas zugeführt werden, wobei die jeweiligen Mengen über ein Signal einer extraktiven und/oder In- situ-Gasanalyse, welche sich am Ende der Anlage oder im weiteren Verlauf des Abgasstroms der Anlage befindet, geregelt werden. Auch die Menge an sauerstoffhaltigen Gas, welches über die ersten Gaszuführungsmittel im Bereich des Einschnürungsabschnitts zugeführt wird, wird über ein Signal einer extraktiven und/oder In-situ- Gasanalyse, welche sich am Ende der Anlage oder im weiteren Verlauf des Abgasstroms der Anlage befindet, geregelt.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen schematische Darstellung einer Anlage zur thermischen
Behandlung von flugfähigem Rohmaterial,
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Details X gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel mit Einschnürungsabschnitt und Verwirbelungsabschnitt,
Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des Details X gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel mit Einschnürungsabschnitt und Verwirbelungsabschnitt,
Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des Details X gemäß einem dritten
Ausführungsbeispiel und Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung des Details X gemäß einem vierten
Ausführungsbeispiel.
Die in Fig. 1 dargestellte Anlage zur thermischen Behandlung von flugfähigem Rohmaterial stellt eine Anlage zur Wärmebehandlung von natürlichen Tonen und/oder Zeolithen dar und besteht im Wesentlichen aus einem Vorwärmer 1 , einem Calcinations- und Reduktionsreaktor 2 und einem Kühler 3. Der Vorwärmer 1 ist hier als zweistufiger Zyklonvorwärmer mit einem ersten und einem zweiten Zyklon 10, 11 ausgebildet. Ein zu behandelndes, flugfähiges Rohmaterial 4, bei dem es sich beispielsweise um eisenhaltigen Ton handelt, wird in das vom zweiten Zyklon 11 zum ersten Zyklon 10 strömende Abgas 12 eingeführt. Im ersten Zyklon 10 wird das Material vom Gas getrennt und einem vom Calcinations- und Reduktionsreaktor 2 zum zweiten Zyklon 11 geführten Abgas 21 zugegeben. Im zweiten Zyklon 11 findet wiederum eine Trennung in Abgas 12 und vorgewärmtes Rohmaterial 40 statt. Das Rohmaterial 4 wird somit im Vorwärmer 1 mit den Abgasen des Calcinations- und Reduktionsreaktors 2 vorgewärmt, um dann als vorgewärmtes Rohmaterial 40 dem Calcinations- und Reduktionsreaktor 2 zugeführt zu werden. Der Calcinations- und Reduktionsreaktor 2 ist als Flugstromcalcinator mit einem Steigrohr 22 und einem sich daran anschließendem Abscheider 23 ausgebildet.
Die Energiezufuhr für den Calcinations- und Reduktionsreaktor 2 erfolgt im dargestellten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen über ein Verbrennungsaggregat 5 zur Erzeugung eines Heißgases 53 durch eine unterstöchiometrische Verbrennung von Brennstoff 51 und vorgewärmter Verbrennungsluft 52. Weiterhin kann dem Calcinations- und Reduktionsreaktor 2 in ein oder mehreren Ebenen Brennstoff oder reduzierendes Heißgases über Aufgabenstellen 24, 25 zugegeben werden. In entsprechender Weise können auch Aufgabestellen 26, 27 für zusätzliche Verbrennungsluft vorgesehen werden. Der Calcinations- und Reduktionsreaktor 2 wird zumindest so betrieben, dass sich reduzierende Bedingungen einstellen. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn der Restsauerstoffgehalt des Heißgases 53 in der Gasphase weniger als 17%, vorzugsweise weniger als 13%, höchstvorzugsweise weniger als 10% beträgt und die Konzentration reduktionsfähiger Gase (wie CO bzw. H2) im Bereich von mehr als 2% vorzugsweise mehr als 5%, höchstvorzugsweise mehr als 8% liegt.
Im anschließenden Abscheider 23 wird das Abgas 21 vom calcinierten Material 41 getrennt, wobei das calcinierte Material 41 mit einer Temperatur im Bereich von 600 bis < 900°C in den Kühler 3 gelangt, der ebenfalls reduzierend oder wenigstens inert betrieben wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kühler 3 als Fließbettkühler mit indirekter Wasserkühlung ausgebildet, der einen Kühlwassereintritt 31 und einen Kühlwasseraustritt 32 umfasst. Über einen nicht näher dargestellten Wärmetauscher kann für das verwendete Kühlwasser eine Kreislaufführung vorgesehen werden. Weiterhin wird dem Kühler ein kaltes Fließbettfluidisierungsgas 33 zugeführt, wobei das erwärmte Fließbettfluidisierungsgas 34 zweckmäßigerweise über einen Wärmetauscher 6 geführt wird, um es nach Abkühlung wieder als kaltes Fließbettfluidisierungsgas 33 der Kühlzone zuzuführen. Das Fließbettfluidisierungsgas 33 kann teilweise auch durch einen Teil der reduzierenden Heißgase 53 des Verbrennungsaggregates 5 gebildet werden. Der Wärmetauscher 6 wird mit kalter Luft 61 betrieben, die dann nach Erwärmung als vorgewärmte Verbrennungsluft 52 im Verbrennungsaggregat 5 eingesetzt wird.
Wird das Fließbettfluidisierungsgas mit einem Teil der Heißgase 53 des Verbrennungsaggregates 5 ergänzt, kann zum Ausgleich ein Teil des erwärmten Fließbettfluidisierungsgases 34 auch in den Calcinations- und Reduktionsreaktor 2 eingeführt werden. Am Ende des Kühlers 3 wird das auf unter 250 °C abgekühlte Fertigprodukt 42 abgeführt.
Das Steigrohr 22 ist im Bereich X in besonderer Weise ausgestaltet, um einerseits einer möglichst vollständige thermische Umsetzung des Heißgases zu bewirken und andererseits eine effiziente thermische Behandlung des flugfähigen Rohmaterials unter reduzierenden Bedingungen zu ermöglichen. In den Figuren 2 bis 5 werden verschiedene Ausführungsbeispiele für diesen Bereich X des Steigrohres angegeben. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 weist das Steigrohr 22 im Bereich X einen ersten Abschnitt 220 auf, an den sich in Strömungsrichtung 530 des Heißgases 53 ein Einschnürungsabschnitt 221 mit einer gegenüber dem ersten Abschnitt 220 verengten Querschnittsfläche anschließt. Im weiteren Verlauf folgt ein Verwirbelungsabschnitt 222 mit einer gegenüber dem ersten Abschnitt 220 des Steigrohres 22 größeren Querschnittsfläche. Des Weiteren schließt sich an den Verwirbelungsabschnitt 222 ein zweiter Abschnitt 223 des Steigrohres 22 mit einer Querschnittsfläche an, die größer als die verengte Querschnittsfläche des Einschnürungsabschnitts 221 und kleiner oder gleich der Querschnittsfläche des Verwirbelungsabschnittes 222 ist.
Im Bereich zwischen dem Einschnürungsabschnitt 221 und dem Verwirbelungsabschnitt 222 sind Leitelemente 224 vorgesehen, die beispielsweise durch einen sogenannten Blütenmischer gebildet werden können. Diese Leitelemente sollen auf das von unten nach oben strömende Heißgas eine radial nach außen gerichtete Ablenkungskomponente erzeugen, sodass es zu den in der Verwirbelungskammer 222 eingezeichneten Verwirbelungen 531 kommt. Wie sich aus der Zeichnung erkennen lässt, sind der Einschnürungsabschnitt 221 und der Verwirbelungsabschnitt 222 weitgehend rotationssymmetrisch um eine gemeinsame Mittelachse ausgerichtet.
Im Bereich des Einschnürungsabschnitts 221 sind außerdem erste Gaszuführungsmittel 225 vorgesehen, die beispielsweise als Ringleitung ausgebildet sind und ein Gas, insbesondere Nachverbrennungsluft mit einer Sauerstoffkonzentration von weniger als 17%, vorzugsweise weniger als 13%, höchstvorzugsweise weniger als 10%> über separate Zuführöffnungen zuführt. Die ersten Gaszuführungsmittel 225 weisen wenigstens 2, vorzugsweise 3, höchstvorzugsweise 5, idealerweise mehr als fünf einzelne Zuführöffnungen auf, um das Gas möglichst gleichmäßig über den Umfang verteilt einführen zu können.
Im Bereich des Verwirbelungsabschnitts 222 sind zweite Gaszuführungsmittel 226 zur Unterstützung der Verwirbelungen 531 vorgesehen und derart ausgerichtet, dass ein über die zweiten Gaszuführungsmittel 226 zurückgeführtes Gas eine der Strömungsrichtung des Heißgases 530 im Steigrohr weitgehend entgegengesetzte Richtungskomponente aufweist. Das hierüber zugeführte Gas dient zum einen zur Unterstützung der Verwirbelung und zum anderen als Nachverbrennungsgas.
Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, wobei für gleiche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet wurden. Ein Unterschied besteht darin, dass der Verwirbelungsabschnitt des Steigrohrs 22 fassartig mit gekrümmten Außenflächen ausgebildet ist, während im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 für den Verwirbelungsabschnitt eine kantigere Ausführung gewählt wurde. Ansonsten sind aber auch hier erste und zweite Gaszuführungsmittel 225 und 226 vorgesehen. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit im Bereich des Verwirbelungsabschnittes 222 ein ammoniakhaltiges Reduktionsmittel 62 zuzugeben. Des Weiteren können im Verwirbelungsabschnitt 222 Gasstoßzuführungen 227 vorgesehen werden, die mit einer entsprechenden Gasstoßerzeugungseinrichtung in Verbindung stehen und zur Unterstützung der Verwirbelung Gasstöße, beispielweise Luftstöße, zuführen.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, die im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 entspricht, wobei nach dem zweiten Abschnitt 223 ein zweiter Einschnürungsabschnitt 22 und ein zweiter Verwirbelungsabschnitt 222' folgen. Durch diese doppelte Ausführung von Einschnürungs- und Verwirbelungsabschnitt kann eine noch bessere thermische Umsetzung der Heißgase bewirkt werden. Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 ist wiederum eine Verdoppelung von Einschnürungs- und Verwirbelungsabschnitt gemäß Fig. 3.
Durch die sich aufgrund der körperlichen Struktur des Bereichs X ergebenen Verwirbelungen bzw. Turbulenzen kommt es zu einem ständigen Abriss der sich eventuell bildenden Flammen, sodass im Bereich der Verwirbelungszone 222 bzw. 222' eine flammenlose Nachverbrennung des Heißgasstromes stattfinden kann.

Claims

Patentansprüche :
1. Anlage zur thermischen Behandlung von flugfähigem Rohmaterial (4) mit a. einem von Heißgasen (53) durchströmten Steigrohr (22), das Mittel zur Zugabe des Rohmaterials und Mittel zur Zuführung der Heißgase aufweist und b. einem Abscheider (23) zur Trennung des Rohmaterials vom Heißgas, c. wobei das Steigrohr (22) einen ersten Abschnitt (220) aufweist, an den sich in Strömungsrichtung (530) des Heißgases (53) ein Einschnürungsabschnitt mit einer gegenüber dem ersten Abschnitt (220) verengten Querschnittsfläche anschließt, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den Einschnürungsabschnitt (221) in Strömungsrichtung des Heißgases ein Verwirbelungsabschnitt (222) mit einer gegenüber dem ersten Abschnitt (220) des Steigrohres (22) größeren Querschnitts fläche anschließt und im Bereich des Einschnürungsabschnitts (221) ein oder mehrere erste Gaszuführungsmittel (225) vorgesehen sind.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich in Strömungsrichtung (530) des Heißgases (53) an den Verwirbelungsabschnitt (222) ein zweiter Abschnitt (223) des Steigrohres (22) mit einer Querschnittsfläche anschließt, die größer als die verengte Querschnittsfläche des Einschnürungsabschnitts (221) und gleich oder kleiner als die Querschnittsfläche des Verwirbelungsabschnitts (222) ist.
3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich zwischen dem Einschnürungsabschnitt (221) und dem Verwirbelungsabschnitt (222) Leitelemente zur Beeinflussung des Heißgasstromes (53) oder zur Umlenkung des Heißgasstroms (53) in den Verwirbelungsabschnitt (222) vorgesehen sind.
4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (224) derart ausgerichtet sind, dass sie auf den Heißgasstrom (53) eine in Strömungsrichtung des Heißgasstroms (53) radial nach außen gerichtete Ablenkungskomponente erzeugen.
5. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der
Einschnürungsabschnitt (221) und der Verwirbelungsabschmtt (222) weitgehend rotationssymmetrisch um eine gemeinsame Mittelachse ausgerichtet sind.
6. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Einschnürungsabschnitts (221) wenigstens zwei, vorzugsweise drei, höchstvorzugsweise fünf, idealerweise mehr als fünf einzelne erste Gaszuführungsmittel (225) angebracht sind.
7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im
Verwirbelungsabschmtt (222) zweite Gaszuführungsmittel (226) zur Unterstützung der Verwirbelung derart ausgerichtet sind, dass ein über die zweiten Gaszuführungsmittel (226) zugeführtes Gas eine der Strömungsrichtung des Heißgases im Steigrohr weitgehend entgegengesetzte Richtungskomponente (227) aufweist.
8. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Verwirbelungsabschmtts (222) Gasstoßzuführungen (227) vorgesehen sind, die mit einer Gasstoßerzeugungseinrichtung in Verbindung stehen.
9. Verfahren zur thermischen Behandlung von flugfähigem Rohmaterial (4), wobei das Rohmaterial einem von Heißgasen (53) durchströmten Steigrohr (22) zugeführt und im Steigrohr durch die Heißgase thermisch behandelt wird, bevor es in einem Abscheider (23) vom Heißgas getrennt wird, und wobei das Heißgas nach einem ersten Abschnitt (220) des Steigrohres (22) einen Einschnürungsabschnitt (221) mit einer gegenüber dem ersten Abschnitt (220) verengten Querschnittsfläche durchströmt, dadurch gekennzeichnet, dass das Heißgas nach dem Einschnürungsabschnitt (221) einen sich anschließenden Verwirbelungsabschnitt (222) mit einer gegenüber dem ersten Abschnitt (220) des Steigrohres größeren Querschnittsfläche durchströmt, wobei im Bereich des Einschnürungsabschnitts (221) ein Gas über ein oder mehrere erste Gaszuführungsmittel (225) zugeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Heißgasstrom (53) im Bereich des Verwirbelungsabschnittes (222) unter Ausbildung von Verwirbelungen(531) beeinflusst wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem im Bereich des Einschnürungsabschnitts (221) zugeführten Gas um ein sauerstoffhaltiges Gas handelt.
12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die
Gesamtkonzentration von Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff im Heißgas in Strömungsrichtung vor den ersten Gaszuführungsmitteln mehr als 2 % beträgt.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die
Sauerstoffkonzentration des sauerstoffhaltigen Gases weniger als 17 % beträgt.
14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der sauerstoffhaltigen Gase wenigstens 120 °C beträgt.
15. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im
Verwirbelungsabschnitt (222) Verbrennungsluft oder ein anderes sauerstoffhaltiges Gas mit einer Richtungskomponente zugeführt wird, die der Strömungsrichtung (530) des Heißgases (53) weitgehend entgegengesetzt ist.
16. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Steigrohr (22) zugeführte Heißgas (53) ein reduzierendes Heißgas ist, das im weiteren Verlauf bei einer Temperatur von unter 1150 °C ohne sichtbare Flamme umgesetzt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Verwirbelungsabschnitts (222) ein ammoniakhaltiges Reduktionsmittel (62) zugegeben wird.
18. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Verwirbelungsabschnitts (222) Gasstöße zur Unterstützung der Verwirbelung zugegeben werden.
19. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Steigrohr (22) Verbrennungsluft und/oder Brennstoff zugeführt wird, wobei die jeweiligen Mengen über ein Signal einer extraktiven und/oder in-situ Gasanalyse geregelt werden.
20. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an sauerstoffhaltigem Gas im Bereich des Einschnürungsabschnitts (221) über ein Signal einer extraktiven und/oder in-situ Gasanalyse geregelt wird.
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