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Calcinierung nach dem Wirbelschichtverfahren teilchenförmiger
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Materialien Die Erfindung betrifft die Wärmebehandlung von teilchenförmigen
Materialien und insbesondere, aber nicht ausschließlich, die Calcinierung von Erzen,
Niederschlägen, Konzentraten und Rückständen. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar
für die Calcinierung nach dem Wirbelschichtverfahren von Phosphaten, Kalkstein,
Aluminiumsilicaten, Erdalkalimineralien und -schlämmen und dergleichen.
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Die Wärmebehandlung bei Temperaturen unter dem Schmelzpunkt, zum Beispiel
die Calcinierung von teilchenförmigen Materialien in einer vertikalen Wirbelschicht,
ist bekannt. Solch eine Wirbelschicht wird gebildet, wenn ein Wirbelschichtgas durch
eine Schicht fester Teilchen geeigneter Größe mit einer Geschwindigkeit aufwärts
strömt, die ausreichend hoch ist, um die Teilchen in der Schwebe zu halten, den
Einfluß der Schwerkraft auf sie zu überwinden und ihnen das Erscheinungsbild großer
Turbulenz zu verleihen. In einigen Beispielen kann das
zur Bildung
der Wirbelschicht verwendete Wirbelschichtgas Luft sein. Das Wirbelschichtgas enthält
vorteilhafter Hitze erzeugende Komponenten, Brennstoffe beispielsweise, die die
Wärme liefern, um die Calcinierung in der Wirbelschicht zu erzielen.
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Das Heizen der Wirbelschicht kann entweder durch Verwendung heißer
Verbrennungsgase als Wirbelschichtgas erreicht werden oder durch Verbrennen eines
Brennstoffs in der Wirbelschicht selbst. Zu den bekannten Vorteilen des letzteren
Verfahrens gehört, daß viele Beschränkungen bezüglich der Art der Materialien beseitigt
sind, die für die Herstellung des Wirbelschichtgitters (Verteilerplatte) benutzbar
sind. Wenn die Hitze beispielsweise durch Verbrennen von Brennstoff in der Wirbelschicht
erzeugt wird, braucht das Gitter nicht hohe Temperaturen auszuhalten. Außerdem liefert
die Verbrennung von Brennstoff in der Schicht eine gleichmäßigere Temperaturverteilung
innerhalb der Wirbelschicht, wodurch eine gleichmäßigere Wärmebehandlung erreicht
wird.
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Die Kombination der Wirbelschichttechnologie und der direkten Calcinierung
(flash calcining) ist bisher bei der Behandlung von Aluminiumoxid zur Erhöhung der
Anlagenkapazität verwendet worden. Diese Technologie ist bisher nicht auf die Behandlung
von Rohphosphat, Kalkstein und andere Materialien angewandt worden, die so hitzeempfindlich
sind, daß überhöhte Temperaturen (oder ungenügende Verweilzeit) nicht ausreichend
calcinierte Produkte ergeben könnten. Außerdem wird in herkömmlichen Einheiten,
die die Wirbelschichtmethode für die Calcinierung verwenden, die gesamte Wärmebehandlung
in einem Gefäß durchgerührt mit verschiedenen anderen Gefäßen, die bloß zur Rückgewinnung
der Wärme dienen. Da die Calcinierung so stark endotherm ist, muß Wärme sowohl zugeführt
werden, um die Reaktionstemperatur aufrecht zu erhalten, als auch um dem Wärmebedarf
der Reaktion zu genügen. Als Folge davon verwenden herkömmliche
Systeme
große Überschüsse an Luft, häufig mehr als 30 6b Überschuß, mit einem sich daraus
ergebenden Verlust im thermischen Wirkungsgrad. Weiterhin sind solche herkömmlichen
vertikalen Wirbelschichtsysteme gewöhnlich auf eine Brennstoffart begrenzt und die
damit verbundene Mindesttemperatur der Wirbelschicht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Calcinierungssystem
nach dem Wirbelschichtverfahren zu schaffen, das geeignet ist, bei hohen Kapazitäten
betrieben zu werden, während unkontrollierbare hohe Temperaturen vermieden werden,
die bisher der direkten Calcinierung anhafteten. Durch Beseitigung der vertikalen
Schichtung bietet das erfindungsgemäße System die Flexibilität, die Verweilzeit
den Erfordernissen des einzelnen Materials, das wärmebehandelt wird, anzupassen,
Die Erfindung sieht ein mehrstufiges Calcinierungssystem vor, bei dem unterschiedliche
Bedingungen in jeder Calcinierungsstufe angewandt werden, so daß Qualität, Kapazität
und Temperaturkontrolle maximiert werden können. Es wird von den Unterschieden der
Entzündungstemperaturen von Brennstoffen Gebrauch gemacht.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Calcinierung von Materialien
wie Erzen, Niederschlägen, Konzentraten und Rückständen vorgeschlagen, bei dem Hydrate,
Carbonate und dergleichen zersetzt werden, während flüchtige Stoffe ausgetrieben
werden. Das Verfahren ist durch folgende Schritte gekennzeichnet: Einführen des
Materials in eine erste Wirbelschichtstufe mit hoher Kapazität; Bereitstellen eines
Brennstoffs von der Art und in einer Menge, die ausreichen, um das Material auf
etwa 5930C zu erhitzen;
Überführen des erhitzten Materials von der
ersten Stufe in eine zweite Wirbelschichtstufe; Bereitstellen eines Brennstoffs
von der Art und in einer Menge, die ausreichen, um die Temperatur des erhitzten
Materials unter genau kontrollierten Bedingungen entsprechend den Anforderungen
des Verfahrens zu erhöhen; Rückgewinnen des erhitzten Materials aus der zweiten
Stufe.
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Die vorliegende Erfindung stellt ein System dar, das wenigstens zwei
getrennte Wirbelschichtreaktoren verwendet und bei dem das anfängliche Erhitzen
bei niedriger Temperatur (bei etwa 593 C, 11000F) in einer ersten Stufe durchgeführt
wird, während das weitere für das Verfahren erforderliche Erhitzen bei höherer Temperatur
in einer zweiten oder nachfolgenden Stufe durchgeführt wird. Ein Ergebnis dieser
Modifizierung besteht darin, daß Brennstoffe für jede der Stufen in Übereinstimmung
mit den Temperaturanforderungen der jeweiligen Stufe ausgesucht werden können, wodurch
gewährleistet wird, daß jeder Brennstoff einer ziemlich vollständigen Verbrennung
unterworfen wird. Auf diese Weise kann die erste Stufe durch einen Brennstoff mit
einer niedrigen Entzündungstemperatur wie z. B. Kohle (fähig, eine Wirbelschichttemperatur
von etwa 5930C zu erzeugen) erhitzt werden, während die zweite Stufe mit einem Brennstoff
nach Wahl erhitzt werden kann, wie z. B. Gas oder Öl oder demselben Brennstoff wie
in der ersten Stufe.
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Der Hauptvorteil der Verwendung eines Brennstoffs mit niedrigem Entzündungspunkt
besteht darin, daß diese Stufe dann ausgelegt sein kann für und betrieben werden
kann mit sehr hohen Kapazitäten, wobei ein Wirbelschichtverfahren mit Dispersionsphase
(dispersed phase fluidization) nicht ausgeschlossen ist. Die Temperaturen in der
ersten Stufe sind
nicht ganz gleichmäßig; es ist jedoch gefunden
worden, daß sie in den gewünschten Bereichen liegen, durchschnittlich etwa bei 593°C.
Außerdem ist gefunden worden, daß der Hauptteil des Calcinierungsvorgangs in dieser
ersten Stufe durchgeführt werden kann, da dieser Vorgang aus der Oxidation minderwertiger
organischer Stoffe ähnlich der Kohle oder Braunkohle und aus der Entfernung von
Hydratwasser besteht, das im wesentlichen unterhalb 593°C entfernt wird.
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Da dies jedoch eine schnelle, etwas grobe Verbrennung ist, ist eine
genauere, etwas höhere Temperatur und Verweilzeit erforderlich, um normale Produktspezifikationen
bezüglich des Restgehalts an organischem Kohlenstoff und Materialverlusts beim Erhitzen
zu erreichen. Um diesen Bedingungen zu genügen, werden die Geschwindigkeiten in
der zweiten Stufe auf Werte herabgesetzt, die der herkömmlichen Praxis entsprechen,
und es wird eine Wirbelschicht mit dichter Phase (dense phase fluidized bed) zum
Zweck der Regelung verwendet.
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Normalerweise würden die hohen Geschwindigkeiten ungleiche Temperaturbedingungen
ergeben; dies trifft auch für den vorliegenden Fall zu. Durch die Auswahl eines
Brennstoffs, der bei niedrigen Temperaturen brennt, erreichen die Ungleichmäßigkeiten
jedoch kein solches Ausmaß, daß sie sich als schädlich für die Produktqualität erweisen.
In Wirbelschichtreaktoren beispielsweise mit unzureichender Verbrennung und nachfolgender
Verbrennung über der Schicht (freeboard burning), kann die Temperatur über der Schicht
930C (2000F) höher sein als die Temperatur in der Wirbelschicht Im Fall von Phosphat
beträgt die Höchsttemperatur aus der Sicht der Produktkontrolle etwa 81600 (15000F).
Mit einer gewünschten Temperatur in der ersten Stufe von etwa 5930C gibt dies einen
Spielraum von 2230C für die Temperaturregelung
und erweitert die
Bandbreite für die Betriebsbedingungen erheblich gegenüber der bisherigen Praxis.
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Das erfindungsgemäße mehrstufige System hat den zusätzlichen Vorteil,
daß der Wärmebedarf der zweiten (oder nachfolgenden) Stufe herabgesetzt ist, da
das Material, das den folgenden Stufen zugeführt wird, einer signifikanten Vorheizung
in der vorherigen Stufe oder Stufen unterworfen war. Insbesondere kommt der verbesserte
thermische Wirkungsgrad von der Verringerung aller überschüssiger Luft, die zur
vollständigen Verbrennung notwendig ist.
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Außerdem ist es möglich, die Gasströme, die die beiden Stufen verlassen,
zu trennen, falls dies erwünscht ist.
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Diese getrennten Ströme weisen unterschiedliche Gasanalysen und Temperaturen
auf, und bei bestimmten Verfahren kann es vorteilhaft sein, diese Ströme getrennt
zu handhaben. Ein Beispiel dafür ist die Calcinierung von Kalkschlämmen und -niederschlägen,
wie sie in der Zuckerindustrie praktiziert wird. Hier ist es erwünscht, einen Gasstrom
mit hohem 002 Gehalt zu haben. Herkömmliche Calcinieröfen für Kalkschlamm liefern
nicht die gewünschte Konzentration an C02 aufgrund der Vermischung der Verbrennungsgase
mit dem C022 das aus dem Calciumcarbonat kommt.
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Das erfindungsgemäße zweistufige Oalcinierungssystem erzeugt hochprozentiges
C02-Gas in dem aus der zweiten Stufe kommenden Gasstrom, da der Schlamm in der ersten
Stufe getrocknet und auf eine Temperatur gerade unterhalb der Zersetzungstemperatur
vorerhitzt wurde.
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Die Trennung der Gasströme kann auch deshalb sehr wirksam sein, da
sie einen maximalen thermischen Wirkungsgrad in dem in Betracht kommenden Verfahren
zuläßt. Die erste Stufe beispielsweise kann mit einem Teilungsverhältnis betrieben
werden,
das gerade ausreicht, um eine minimale Abgastemperatur zu erzeugen. Die zweite Stufe
mit hohen Abgastemperaturen erlaubt dann den wirksamsten Einsatz herkömmlicher Wärmerückgewinnungsanlagen
wie z. B. Abhitzekessel u. s. w.
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Außerdem verringert die Beseitigung der vertikalen Ausrichtung der
Wirbelschichtstufen erheblich die Instandhaltungsprobleme, da durch die Gitter,
die die Wirbelschichten tragen, nie mit Staub beladene Gase passieren.
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Anhand der Zeichnung soll die Erfindung im folgenden näher erläutert
werden. Die Zeichnung zeigt ein vereinfachtes Fließschema einer bevorzugten erfindungsgemäßen
Ausführungsform.
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Die in der Zeichnung gezeigte Ausführungsform ist ein System, bei
dem das zu bearbeitende Material und die Luft für die Wirbelschicht (und der Brennstoff)
im allgemeinen im Gegenstrom durch eine Reihe von Wirbelschichtreaktoren geführt
werden. Die wesentlichen Einheiten der Anlage sind ein Wirbelschichtreaktor 1 für
die erste Stufe und ein Wirbelschichtreaktor 2 für die zweite Stufe. Zu den Hilfseinheiten
der in der Zeichnung abgebildeten Anlage gehören der Wirbelschicht-Wärmeaustauscher
3 und eine Vielzahl von Zyklonen 4, 5, 5', 6, 6 und 7.
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Der Wirbelschichtreaktor 1 ist mit einer Brennstoffzuführung 10 versehen,
um feinverteilte Kohle oder einen anderen Brennstoff mit niedrigem Entzündungspunkt
in den Fließbetteil des Wirbelschichtreaktors 1 zu dispergieren. Außerdem ist der
Reaktor 1 mit einer Zuführung 11 für das Wirbelgas ausgestattet, die vorzugsweise
am Boden des Reaktors 1 angebracht ist, um genügend Gas einzuführen, um das zu behandelnde
Material in einem Wirbelschichtzustand zu halten. Die zu calcinierenden Rohmaterialien
wie z. B. Phosphate werden durch die Zuführungen 12, 12 und 12, die oberhalb des
Fließbettes
liegen, in den Wirbelschichtreaktor 1 eingeführt. Der
Wirbelschichtreaktor 1 ist auch mit einem Auslaß 13 versehen für die Überführung
des Produkts der ersten Stufe in die zweite Stufe im Wirbelschichtreaktor 2.
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Brennstoff wie Gas oder Öl wird in den Reaktor 2 durch die Brennstoffzuführung
20 gegeben, während das Wirbelgas über die Zuleitung 21 eingeleitet wird. Es ist
ein Auslaß 22 für das Produkt vorgesehen, um das vollständig calcinierte Produkt
aus dem Reaktor 2 in den Wirbelschicht-Wärmeaustauscher 3 zu transportieren. Luft
oder Gas mit Raumtemperatur strömt über die Zuleitung 30 in den Austauscher 3, um
die Wärme von dem calcinieFen Produkt wiederzugewinnen und dient gleichzeitig als
Wirbelmedium für den Austauscher 3. Zusätzliche Reaktorluft kann über die Zuleitung
32 eingeführt werden. Das Produkt wird über den Produktauslaß 31 aus dem Austauscher
3 herausgeführt.
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In dem Teil des Fließschemas, der die Staubwiedergewinnung betrifft,
ist ein Zyklon 4 vorgesehen, um die vom Gas durch die Zuleitung 40 aus dem Reaktor
1 mitgerissenen feinsten Partikel abzutrennen. Die im Zyklon 4 nicht abgeschiedenen
feinsten Partikel werden über die Leitung 35 zur weiteren Abtrennung in den Zyklon
5 überführt, während die schweren Teilchen durch die oben erwähnte Zuführung 12"
in den Reaktor 1 zurückgeführt werden. Die Feststoffe werden auch vom Zyklon 5'
über die Zuführung 12 wieder dem Reaktor 1 zugeführt (zusammen mit neuer Beschickung),
während die feinsten Partikel, die im Zyklon 5' nicht abgeschieden werden, über
die Leitung 37 zu einem weiteren Zyklon 5 geleitet werden. Die im Zyklon 5 erfolgende
Trennung hat zur Folge, daß weitere schwere Teilchen über die Zuführung 12 in den
Reaktor 1 zurückko.men, während die im Zyklon 5 nicht abgeschiedenen feinsten Teilchen
über eine Leitung 39 zu einer Gasreinigungsanlage (nicht abgebildet) geführt werden.
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Ähnlich werden feinste Teilchen, die aus dem Reaktor 2 über die Leitung
41 herausgetragen werden, dem Zyklon 6 zur Trennung zugeführt; die schweren Teilchen
werden dem Wärmeaustauscher 3 über die Leitung 42 zugeführt, während die nicht abgeschiedenen
feinsten Teilchen über die Leitung 43 zu einer weiteren Trennung in den Zyklon 6'
gelangen. Die feinsten Teilchen aus dem Zyklon 6' werden über die Leitung 45 zu
einer (nicht abgebildeten) Gasreinigungsanlage geleitet, während die schweren Teilchen
über die Leitung 46 in den Wirbelschicht-Wärmeaustauscher 3 kommen. Andererseits
können die feinsten Teilchen aus dem Zyklon 6' über die Leitung 45' mit neuer Beschickung
aus der Zuführung 35 vereinigt werden.
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Die aus dem Wirbelschicht-Wärmeaustauscher 3 herausgetragenen feinsten
Teilchen gelangen über die Leitung 47 in den Zyklon R 7, von wo die schweren Teilchen
in den Wärmeaustauscher 3 zurückgelangen, während die feinsten Teilchen über die
Leitung 49 geführt werden, um sich mit in Zuführung 35 ankommender Beschickung zu
vereinigen.
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ä über die Leitung 48 In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird der Brennstoff für den Wirbelschichtreaktor 1 von oben auf das entsprechende
Fließbett durch einen einzelnen zentral angebrachten Verteiler gleitet. So wird
insbesondere Kohle pneumatisch durch einen zentralen Verteiler in den Reaktor 1
eingeführt.
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Andererseits kann der Brennstoff der Beschickung in den richtigen
Verhältnissen zugegeben werden, um die gewünschten stöchiometrischen und thermischen
Bedingungen aufrecht zu erhalten.
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Einzelheiten bezüglich der Größen, Formen und Anordnung der Anlagenteile
und die Vorkehrungen für verschiedene andere herkömmliche Anlagenteile wurden der
Übersicht halber weggelassen, da sie leicht von Fachleuten ergänzt werden können.
Das
folgende spezielle Ausführungsbeispiel soll die Erfindung näher erläutern, ohne
sie jedoch in irgendeiner Weise einzuschränken.
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63,504 t (70 tons) je Stunde gewaschenes und getrocknetes Rohphosphat
mit einer Teilchengröße im Bereich von kleiner als 0,84 mm und größer als 0,074
mm lichte Maschenweite (minus 20 plus 200 U. S. mesh size), das 2 Gew.-O/o organischen
Kohlenstoff, 3 Gew.-O/o eingeschlossenes Kohlendioxid, 2 Gew.-O/o Hydratwasser und
93 Gew.-O/o Phosphat und andere Mineralien enthält, wurden in den ersten Wirbelschichtreaktor
eingeführt.
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Wenn man Kohle als Brennstoff in der Mischung zusätzlich zu 2 °% organischem
Kohlenstoff in der Beschickung für die erste Stufe verwendete, wurde die Temperatur
auf 5930C (1100 F) aufrecht erhalten. Von der zusätzlichen Kohle waren bis zu 32,7
kg (72 pounds) je Stunde erforderlich.
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Wenn man Erdgas verwendete, wurde die Temperatur des Reaktors der
zweiten Stufe auf 7880C (14500F) gehalten. Es wurde gefunden, daß die Beschickung
für den zweiten Reaktor 93 % der ursprünglichen Beschickung des ersten Reaktors
ausmacht, wobei zu den Verlusten Hydratwasser, verschiedener organischer Kohlenstoff,
Kohlenstoffdioxid und mit der Wirbelluft weggetragene Staubteilchen gehören. Die
erste Reaktoreinheit erfordert 113,2 N m3 (4000 standard cubic feet) Je Minute Luft,
um das Fließbett aufrecht zu erhalten.
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Zusätzliche 84,9 N m3 (3000 standard cubic feet) je Minute an Wirbelluft
waren für die zweite Reaktoreinheit erforderlich.
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Es wurde gefunden, daß weitere Staubverluste-in dem Reaktor der zweiten
Stufe eine Ausbeute von 91 o6 des ursprünglichen Gewichts des Rohphosphats ergaben,
die aus dem Reaktor der zweiten Stufe gewonnen wurde.
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Obwohl vorstehend eine bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform
gezeigt und beschrieben wurde, ist es für den Fachmann offensichtlich, daß verschiedene
Abänderungen vorgenommen werden können, ohne daß vom beanspruchten Erfindungsgedanken
und -umfang abgewichen wird.
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L e e r s e i t e