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DE2641292C2 - Verfahren zur Wärmebehandlung von Materialien in der Wirbelschicht - Google Patents

Verfahren zur Wärmebehandlung von Materialien in der Wirbelschicht

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DE2641292C2
DE2641292C2 DE2641292A DE2641292A DE2641292C2 DE 2641292 C2 DE2641292 C2 DE 2641292C2 DE 2641292 A DE2641292 A DE 2641292A DE 2641292 A DE2641292 A DE 2641292A DE 2641292 C2 DE2641292 C2 DE 2641292C2
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fuel
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Donald Orinda Calif. Macaskill
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Description

Einführen des Materials in eine erste Wirbelschichtstufe mit hoher Kapazität, in der die Luftgeschwindigkeit auf 0,91— 4,57 m/Sekunde gehalten wird,
Erhitzen des Materials auf eine Temperatur von durchschnittlich 593° C durch Bereitstellen eines Brennstoffs,
Überführen des erhitzten Materials von der ersten in ejrse zweite Wirbelschichtstufe, in der die Luftgeschwindigkeit auf 03—142 m/Sekunde gehalten wird.
Erhöhen der Temperatur des erhitzten Materials unter genau kontrollierten Bedingungen entsprechend den Anforderungen des Verfahrens durch Bereitstellen eines Brennstoffs und
Rückgewinnen des erhitzten Materials aus der zweiten Stufe.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erhitzte Material von der zweiten Stufe zu einer Wirbelsüiicht-i^ühlstufe überführt wird, in der das erhitzte Material auf unter 26O0C mittels Luft gekühlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff der zweiten Stufe Erdgas oder öl ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff der ersten Stufe Kohle oder ein anderer Brennstoff mit niedrigem Entzündungspunki. ist.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Materialien, wie Erzen, Niederschlägen, Konzentraten und Rückständen, bei dem Hydrate, Carbonate und dergleichen in der Wirbelschicht zersetzt werden, während flüchtige Stoffe ausgetrieben werden. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar für die Calcinierung nach dem Wirbelschichtverfahren von Phosphaten, Kalkstein, Aluminiumsilicaten, Erdalkalimineralien und -schlämmen und dergleichen.
Die Wärmebehandlung bei Temperaturen unter dem Schmelzpunkt, zum Beispiel die Calcinierung von teilchenförmigen Materialien in einer vertikalen Wirbelschicht, ist bekannt (vgl. z. B. US-PS 27 99 558). Solch eine Wirbelschicht wird gebildet, wenn ein Wirbelschichtgas durch eine Schicht fester Teilehen 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 vorteilhafterweise Hitze erzeugende Komponenten, Brennstoffe beispielsweise, die die Wärme liefern, um die Calcinierung in der
Wirbelschicht zu erzielen.
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 Matt ;ialien 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 Temperaturverteiliing innerhalb der Wirbelschicht, wodurch eine gleichmäßigere Wärmebehandlung erreicht wird.
Die Kombination der Wirbelschichttechnologie und der direkten Calcinierung ist bisher bei der Behandlung von Aluminiumoxid zur Erhöhung der Anlagenkapazitat verwendet worden. Diese Technologie ist bisher nicht auf die Behandlung von Rohphosphat. Kalkstein und anderen Materialien angewandt worden, die so hitzeempfindlich sind, daß überhöhte Temperaturen (oder ungenügende Verweilzeit) nicht ausreichend calcinierte Produkte ergefen könnten. Außerdem wird in herkömmlichen Einheiten, die die Wirbelschichtmethode für die Calcinierung verwenden, die gesamte Wärmebehandlung in einem Gefäß durchgeführt mit verschiedenen anderen Gefäben, 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 Über-
Schüsse an Luft, häufig mehr als 30% Überschuß, mit einem sich daraus ergebenden Verlust im thermischen Wirkungsgrad. Weiterhin sind solche herkömmlichen vertikalen Wirbelschichtsysterne gewöhnlich auf eine Brennstoffart begrenzt und die damit verbundene Mindesttemperatur der Wirbelschicht.
Um eine bessere Wärmeausnutzung zu erreichen, wird in der DE-OS 17 67 628 ein Verfahren zur Durchführung endothermer Prozesse nach dem Wirbelschichtprinzip beschrieben, bei dem ein Wirbelschichtofen mit zirkulierender Wirbelschicht sowie eine mehrstufige Rückgewinnung der Abgaswärme in Venturi-Vorwärmern vorgesehen sind unter gleichzeitiger Teil-C-ntwässerung und Vorwärmung des zu calcinierenden Materials. Im Ofenkreislauf herrscht an allen Stellen die
so gleiche Temperatur. Ein ähnliches Verfahren wird in der Druckschrift »Aufbereitungste:chnik« (1974). Heft 12. Seiten 678 bis 679 zum Calcinieren von Tonerde beschrieben. Das Verfahren wird ebenfalls in einem Wirbelschichtofen mit zirkulierender Wirbelschicht durchgeführt. Um die Wärmewirtscihaftlichkeit zu erhöhen, werden die aus dem Rückführzyklon des Ofens mit 11000C austretenden Abgase in zwei Venturi-Vorwärmern bis nahe an den Taupunkt abgekühlt unter gleichzeitiger Teilentwässerung und Vorwärmung der Tonerde. Im Ofenkreislauf herrscht wiederum an allen Stellen die gleiche Temperatur von 1100° C.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Wärmebehandlungssystem 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.
Diese Aufgabe wird durch das in Patentanspruch I
angegebene Verfahren gelöst
Die Erfindung sieht ein mehrstufiges Wärmebehandlungssystem vor, bei dem unterschiedliche Bedingungen in jeder Calcinierungsstufe angewandt werden, so daß Qualität Kapazität und Temperaturkontrolle maximiert werden können. Es wir/i von den Unterschieden der Entzündungstemperaturen von Brennstoffen Gebrauch gemacht
Durch Beseitigung der vertikalen Schichtung bietet das erfindungsgemäße System die Flexibilität, die Verweilzeit den Erfordernissen des einzelnen Materials, das wärmebehandelt wird, anzupassen.
Die vorliegende Erfindung stellt ein System dar, das wenigstens zwei getrennte Wirbelschichtreakuoren verwendet und bei dem das anfängliche Erhitzen bei niedriger Temperatur (bei etwa 593° C) in einer ersten Stufe durchgeführt wird, während das weitere für das Verfahren erforderliche Erhitzen bei höherer Temperatur in einer zweiten oder nachfolgenden Stufe durchgeführt Im Fall von Phosphat beträgt die Höchsttempei-atur aus der Sicht der Produktkontrolle etwa 816°C Mit einer gewünschten Temperatur in der ersten Stufe von etwa 593° C gibt dies einen Spielraum von 223° C für die Temperaturregelung und erweitert die Bandbreite für die Betriebsbedingungen erheblich gegenüber der bisherigen Praxis.
Das erfindungsgemäße mehrstufige System hat den zusätzlichen Vorteil, daß der Wärmebedarf der zweiten
ίο (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
Außerdem ist es möglich, die Gasströme, die die beiden Stufen verlassen, zu trennen, falls dies erwünscht ist Diese getrennten Ströme weisen · ..-lerschiedliche Gas
wird. Ein Ergebnis dieser Modifizierung besteht darin, 20 analysen und 1 emperaturen auf, und bei bestimmten daß Brennstoffe für jede der Stufen in übereinstim- Verfahren kann es vorteilhaft sein, diese Ströme gemung mit den Temperaturanforderungen der jeweiligen Stufe ausgesucht werden können, wodurch gewährleistet wird, daß jeder Brennstoff einer ziemlich vollständigen Verbrennung unterworfen wird. Auf diese Weise 25 kann die erste Stufe durch einen Brennstoff mit einer niedrigen Entzündungstemperatur, wie z. B. Kohle (fähig, eine Wirbelschichttemperatur von etwa 593° C zu erzeugen), erhitzt werden, während die zweite Stufe mit einem Brennstoff nach Wahl erhitzt werden kann, wie 30 z. B. Gas oder öl oder demselben Brennstoff wie in der ersten Stufe.
Der Hauptvorteil der Verwendung eines Brennstoffs mit niedrigem Entzündungspunkt besteht darin, daß diese Stufe dann ausgelegt sein kann für und betrieben 35 werden kann mit sehr hohen Kapazitäten, wobei ein Wirbelschichtverfahren mit Dispersionsphase 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, 40 Teilungsverhältnis betrieben werden, das gerade ausdu-chschnittlich etwa bei 593°C. Außerdem ist gefun- reicht, um eine minimale Abgastemperatur zu erzeugen, den 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 45 und aus der Entfernung von Hydratwasser besteht, das im wesentlichen unterhalb 593° C entfernt wird.
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 diessn 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 zum Zweck der Regelung verwendet.
trennt zu handhaben. Ein Beispiel dafür ist die Calcinierung von Kalkschlämmen und -niederschlagen, wie sie in der Zuckerindustrie praktiziert wird. Hier ist es erwünscht, einen Gasstrom mit hohem CO>Gehalt zu haben. Herkömmliche Calcinieröfen für Kalkschlamm liefern nicht die gewünschte Konzentration an CO2 aufgrund der Vermischung der Verbrenr.ungsgase mit dem CO2, das aus dem Calciumcarbonat kommt.
Das erfindungsgemäße zweistufige Calcinierungssystem 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.
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
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, kann die Temperatur über der Schicht 93°C höher sein als die Temperatur in der Wirbelschicht.
Die zweite Stufe mit hohen Abgastemperaturen erlaubt dann den wirksamsten Einsatz herkömmlicher Wärmerückgewinnungsanlagen wie z. B. Abhitzekessel usw.
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.
Anhand der Zeichnung soll die Erfindung im folgenden näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt ein vereinfachtes Fließschema einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Die in der Zeicnnung 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 Wirbelschichtreaktoi'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.
Der Wirbelschichtreaktor 1 ist mit einer Brennstoffzuführung 10 versehen, um feinverteilte Kohle oder einen anderen Brennstoff mit niedrigem Entzündungs-Dunkt in den Fließbetteil dts Wirbeischichtreaktors 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.
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 ι ·> 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 calcinierten 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.
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 obenerwähnte 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 geleket werden. Die im Zyklon 5 erfolgende Trennung hat zur Folge, daß weitere schwere Teilchen über die Zuführung 12' in den Reaktor 1 zurückkommen, während die im Zyklon 5 nicht abgeschiedenen feinsten Teilchen über eine Leitung 39 zu einer Gasreinigungsaniage (nicht abgebildet) geführt werden.
Ähnlich werden feinste Teilchen, die aus dem Reaktor
2 über die Leitung 41 herausgetragen werden, dem Zyklon 6 zur Trennung zugeführt; die schweren Teilchen werde" 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.
Die aus dem Wirbelschicht-Wärmeaustauscher 3 herausgetragenen feinsten Teilchen gelangen über die Leitung 47 in den Zyklon 7, von wo die schweren Teilchen über die Leitung 48 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.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Brennstoff für den Wirbelschichireaktor 1 von oben auf das entsprechende Fließbett durch einen einzelnen zentral angebrachten Verteiler geleitet. So wird insbesondere Kohle pneumatisch durch einen zentralen Verteiler in den Reaktor 1 eingeführt. Andererseits kann der Brennstoff der Beschickung in den richtigen Verhältnissen zugegeben werden, um die gewünschten stöchiometrischen und thermischen Bedingungen aufrecht zu erhalten.
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.
63,504 t 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, das 2 Gew.-% organischen Kohlenstoff, 3 Gew.-% eingeschlossenes Kohlendioxid, 2 Gew.-% Hydratwasser und 93 Gew.-% Phosphat und andere Mineralien enthält, wurden in den ersten Wirbelschichtreaktor eingeführt.
Wenn r/an Kohle als Brennstoff in der Mischung zusätzlich zu ?% organischem Kohlenstoff in der Beschikkung für die erste Stufe verwendet, wurde die Temperatur auf 593°C aufrecht erhalten. Von der zusätzlichen Kohle waren bis zu 32,7 kg je Stunde erforderlich.
Wenn man Erdgas verwendete, wurde die Temperatur des Reaktors der zweiten Stufe auf 788°C 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, Kohienstoffdioxid und mit der Wirbeiiuft weggetragene Staubteilchen gehören. Die erste Reaktoreinheit erfordert 113,2 m3 je Minute Luft, um das Fließbett aufrecht zu erhalten. Zusätzliche 84,9 m3 je Minute an Wirbeiiuft waren für die zweite Reaktoreinheit erforderlich.
Es wurde gefunden, daß weitere Staubverluste in dem Reaktor der zweiten Stufe eine Ausbeute von 91% des ursprünglichen Gewichts des Rohphosphats ergaben, die aus dem Reaktor der zweiten Stufe gewonnen wurde.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Wärmebehandlung von Materialien, wie Erzen, Niederschlägen, Konzentraten und Rückständen, bei dem Hydrate, Carbonate und dergleichen in der Wirbelschicht zersetzt werden, während flüchtige Stoffe ausgetrieben werden, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
DE2641292A 1975-03-31 1976-09-14 Verfahren zur Wärmebehandlung von Materialien in der Wirbelschicht Expired DE2641292C2 (de)

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DE2641292A DE2641292C2 (de) 1975-03-31 1976-09-14 Verfahren zur Wärmebehandlung von Materialien in der Wirbelschicht

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