LU103071B1

LU103071B1 - Optimierte Wärmeführung in einer Anlage zur thermischen Behandlung mineralischer Stoffe

Info

Publication number: LU103071B1
Application number: LU103071A
Authority: LU
Inventors: Eike Willms
Original assignee: Thyssenkrupp Ag; Thyssenkrupp Ind Solutions Ag
Priority date: 2023-02-14
Filing date: 2023-02-14
Publication date: 2024-08-19

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur thermischen Behandlung eines mineralischen Materials, wobei die Anlage einen Vorwärmer 10, einen Calcinator 20 und einen Ofen 30 aufweist, wobei die Anlage einen Gaseinlass 61 und einen Gasauslass 62 sowie einen Materialeinlass 51 und einen Materialauslass 52 aufweist, wobei die Bestandteile zur Überführung eines Materialstromes vom Materialeinlass 51 über den Vorwärmer 10, den Calcinator 20 und den Ofen 30 zum Materialauslass 52 verbunden sind, wobei die Bestandteile zur Überführung eines Gasstromes vom Gaseinlass 61 über den Ofen 30, den Calcinator 20 und den Vorwärmer 10 zum Gasauslass 62 verbunden sind, wobei der Vorwärmer 10 mehrstufig ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Calcinator 20 zur Überfügung des den Calcinator 20 verlassenden Materialstrom oder der Vorwärmer 10 zur Überführung des eine Stufe 11, 12, 13 des Vorwärmers 10 verlassenden Materialstrom mit einer Wärmetauschvorrichtung 70 verbunden ist, wobei die Wärmetauschvorrichtung 70 zur Rückführung des Materialstroms mit dem Vorwärmer 10 verbunden ist.

Description

thyssenkrupp Industrial Solutions AG 230063P00LU thyssenkrupp AG 13.02.2023 LU103071 1/12

Optimierte Warmefiihrung in einer Anlage zur thermischen Behandlung mineralischer Stoffe

Die Erfindung betrifft dient der Erhöhung der Warmeausschleusung aus einem

Brennprozess, um insbesondere weitere Befeuerungen zu vermeiden und so beispielsweise und insbesondere die Abgasreinigung des Hauptprozesses vollständig nutzen zu kénnen.

Zementanlagen sind komplexe Systeme. Die Komplexität nimmt derzeit weiter zu, beispielsweise um die Anlagen umweltschonender zu gestalten. Daher werden beispielsweise Ersatzbrennstoffe eingesetzt, um dadurch insbesondere fossile

Ressourcen zu schonen. Ebenso werden Vorrichtungen integriert, um das erzeugte und freigesetzte Kohlendioxid abzutrennen und damit eine Freisetzung des Treibhausgases zu vermeiden. Hierfür wird jedoch Energie benötigt. Gleichzeitig werden beispielsweise

Tone eingesetzt und calciniert, um die Kohlendioxidfreisetzung aus dem Edukt zu minimieren, jedoch müssen diese Tone regelmäßig getrocknet werden. Für viele

Prozesse wird daher versucht, Energie aus dem Hauptprozess zu nutzen, beispielsweise werden intensiv Wärmetauscher im Bereich der den Prozess verlassenden Gase eingesetzt. Die dadurch zur Verfügung stehende Wärmemenge ist jedoch begrenzt.

Gleichzeitig würde eine weitere Verbrennungseinheit die Komplexität insbesondere bei einer Kohlendioxidabtrennung erhöhen.

Aus der DE 10 2018 206 673 A1 ist eine Oxyfuel-Klinkerherstellung mit spezieller

Sauerstoffzugasung bekannt.

Aus der DE 10 2018 206 674 A1 ist eine Oxyfuel-Klinkerherstellung ohne Rezirkulation der Vorwärmerabgase bekannt.

Daher besteht der Wunsch, thermische Energie möglichst integriert bereitzustellen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ausreichend thermische Energie aus dem eigentlichen

Hauptprozess auch für alle vor-, nach- oder nebengelagerten Prozesse bereitzustellen.

thyssenkrupp Industrial Solutions AG 230063P00LU thyssenkrupp AG 13.02.2023 LU103071 2/12

Gelöst wird diese Aufgabe durch Anlage mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden

Beschreibung sowie den Zeichnungen.

Die erfindungsgemäße Anlage dient zur thermischen Behandlung eines mineralischen

Materials. Insbesondere ist die Anlage eine Anlage zur Herstellung von Zementklinker.

Die Anlage weist einen Vorwarmer, einen Calcinator und einen Ofen auf. Die Anlage weist einen Gaseinlass und einen Gasauslass sowie einen Materialeinlass und einen

Materialauslass auf. Die Bestandteile (Vorwärmer, Calcinator und Ofen) sind zur

Überführung eines Materialstromes vom Materialeinlass über den Vorwärmer, den

Calcinator und den Ofen zum Materialauslass verbunden. Die Bestandteile sind weiter zur Überführung eines Gasstromes vom Gaseinlass über den Ofen, den Calcinator und den Vorwärmer zum Gasauslass verbunden. Somit ist die Anlage grundsätzlich im

Gegenstrom aufgebaut, wobei streckenweise, beispielsweise im Calcinator dennoch lokal die Ströme im Gleichstrom fließen können. Der Vorwärmer ist mehrstufig ausgeführt. Dieses stellt eine auf die wichtigsten Grundkomponenten reduzierte übliche thermische Behandlungsvorrichtung, beispielsweise zur Herstellung von Zementklinker, dar und ist aus dem Stand der Technik gut und in vielfältigen Ausprägungen bekannt.

Üblicherweise weist die Anlage auch einen Materialkühler auf, der üblicherweise zwischen Ofen und Gaseinlass angeordnet ist, in welchem das Produkt abgekühlt und das dem Ofen zugeführte Gas aufgewärmt wird. Hierbei kann der Materialkühler auch so ausgeführt sein, dass nur ein Teilgasstrom in den Ofen überführt wird, ein weiterer Teil des Materialkühlers wird mit einem anderen Gasstrom gekühlt (üblicherweise der kältere

Bereich) und der so erwärmte Gasstrom an anderer Stelle, beispielsweise bei einer

Trocknungsvorrichtung, verwendet. Beispielsweise kann die Anlage für den Oxyfuel-

Betrieb ausgelegt sein, also wird (idealisiert) am Anfang reiner Sauerstoff verwendet, welcher durch Verbrennungsprozesse zu (idealisiert) am Ende reinem Kohlendioxid (zuzüglich Wasser, welches leicht abtrennbar ist) umgesetzt (weiteres Kohlendioxid wird meist aus dem mineralischen material zusätzlich freigesetzt). Dieses (idealisiert) reine

Kohlendioxid kann dann ohne aufwändige Gastrennung anderweitig verwendet werden und so die Emission vermeiden werden. Eine der Herausforderungen im Oxyfuel-Prozess ist es, Falschluft, insbesondere Stickstoff aus der Umgebungsluft, zu vermeiden, wozu alle möglichen Gasleckagestellen entsprechend möglichst weitestgehend abgedichtet thyssenkrupp Industrial Solutions AG 230063P00LU thyssenkrupp AG 13.02.2023 LU103071 3/12 werden müssen. Beispielsweise kann Uber den gesamten Prozess die Falschluftmenge bei 5 % bis 10 % liegen. Jede Reduktion der Falschluft führt somit unmittelbar zu einer erhöhten Reinheit des Kohlendioxids und dadurch zu einer Reduktion des Aufwands der notwendigen Aufreinigung. Daher ist kritisch, wenn Umgebungsluft und damit Stickstoff in den Gasstrom eindringt, ein Entweichen von Gas in die Umgebung ins wenigstens in

Hinblick auf den Aspekt der notwendigen Reinigung, nicht relevant. Die Erfindung ist zwar für den Oxyfuel-Prozess besonders geeignet, jedoch nicht auf diesen beschränkt.

Erfindungsgemäß ist der Calcinator zur Überführung des den Calcinator verlassenden

Materialstrom oder der Vorwärmer zur Überführung des eine Stufe des Vorwärmers verlassenden Materialstrom mit einer Warmetauschvorrichtung verbunden. Die

Warmetauschvorrichtung ist zur Rückführung des Materialstroms mit dem Vorwärmer verbunden. Somit wird erfindungsgemäß ein warmer Feststoffstrom und kein Gasstrom aus dem Prozess ausgeschleust. Dieses hat eine Reihe von Vorteilen. Zum einen kann die Ausschleusung eines festen Materialstroms in einfacher Weise gegen das Eindringen von Falschluft abgesichert werden und eignet sich daher insbesondere fur den Oxyfuel-

Prozess. Zum anderen kann dadurch in sehr einfacher Weise zusätzlich aus dem

Prozess auch in vergleichsweise einfacher Form in größerer Menge ausgeschleust werden. Die dafür benötigte Energie kann im Hauptprozess in einfacher Weise bereitgestellt werden, wodurch insbesondere alle zusätzlichen Maßnahmen (Verwendung von Ersatzbrennstoffen, Abgasaufreinigung, Kohlendioxidabtrennung und dergleichen) vollumfänglich genutzt und nicht mehrfach vorgehalten werden müssen, was der Fall wäre, wenn an anderer Stelle eine weitere Verbrennungsvorrichtung zur

Erzeugung von Wärme der Fall wäre. Auch kann gerade bei der Verwendung von

Ersatzbrennstoffen so die erforderliche Temperatur und Verweilzeit für die sichere

Verbrennung in einfacher Weise gewährleistet werden. Die Wärmetauschvorrichtung dient also insbesondere dazu, weitere Wärmeerzeugungsvorrichtung, insbesondere

Verbrennungsvorrichtungen im Gesamtkomplex zu vermeiden. Weitere Vorteile werden im Folgenden ausgeführt.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Wärmetauschvorrichtung ein

Gleichstromwärmetauscher mit Abscheidezyklon oder ein Wirbelbettwärmetauscher.

Beide Varianten haben Vorzüge, insbesondere abhängig von der Art, wie die Wärme thyssenkrupp Industrial Solutions AG 230063P00LU thyssenkrupp AG 13.02.2023 LU103071 4/12 übertragen werden soll. Ein Gleichstromwärmetauscher mit Abscheidezyklon ermöglicht einen extrem schnellen Wärmeübergang durch den direkten Kontakt zwischen dem Gas und dem festen Material, welches von dem Gasstrom transportiert wird. Als Gas eignen sich hier insbesondere Luft oder auch ein im Kreislauf gefahrenes Prozessgas. Ein

Wirbelbettwärmetauscher hingegen weist in einem Wirbelbett angeordnete meist rohrförmige Führungen eines Wärmeträgermediums auf. Hier erfolgt der

Wärmeübergang als durch eine Wandung, was den Prozess deutlich langsamer macht.

Auf der anderen Seite wird dadurch eine Trennung zwischen Material und

Wärmeträgermedium erreicht, sodass sich hierfür insbesondere Thermodle und vor allem

Dampf eignen. Hierbei sind insbesondere auch sehr hohe Dampftemperaturen zu erzielen, was wiederum den Wirkungsgrad, beispielsweise in einer Turbine zum

Antreiben eines Verdichters oder eines Generators, erhöht. Der

Wirbelbettwärmetauscher wird vorzugsweise mit wenig Fluidisierungsgas fluidisiert, wobei das Fluidisierungsgas bevorzugt im Kreis geführt wird. Hierdurch kann beispielsweise der Eintrag von Falschluft in die Anlage sicher ausgeschlossen werden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Wärmetauschvorrichtung mit einer Mahlvorrichtung oder einer Trocknungsvorrichtung verbunden. Bevorzugt ist die

Wärmetauschvorrichtung in diesem Fall ein Gleichstromwärmetauscher mit

Abscheidezyklon, indem ein Gasstrom erwärmt wird, der dann wiederrum erwärmt in die

Mahlvorrichtung geleitet wird. In diesem Fall ist die Verbindung zwischen der

Wärmetauschvorrichtung und der Mahlvorrichtung oder der Trocknungsvorrichtung eine

Gasleitung für dieses erwärmte Gas.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Gasauslass der Anlage mit einer

Kohlendioxidabtrennvorrichtung verbunden. Gerade die Zementindustrie ist eine

Kohlendioxid-intensive Industrie. Eine Abtrennung hat daher einen sehr großen Effekt.

Derzeit stehen bereits mehrere alternative Verfahren zur Kohlendioxidabtrennung aus einem Abgasstrom zur Verfügung. Zwei sind beispielsweise die Amin-Wäsche sowie der

Carbonate-Looping-Prozess (auch Calcium-Looping-Prozess). Hierbei sind die für den

Carbonate-Looping-Prozess benötigten Temperaturen jedoch deutlich höher. In beiden

Fällen wird das Kohlendioxid aus dem Abgasstrom zunächst chemisch gebunden, einmal an ein Amin, einmal an CaO. Das geschieht im Absorber genannten Teil der thyssenkrupp Industrial Solutions AG 230063P00LU thyssenkrupp AG 13.02.2023 LU103071 5/12

Kohlendioxidabtrennvorrichtung. Dann wird das mit Kohlendioxid beladene Medium in einen anderen Bereich der Kohlendioxidabtrennvorrichtung transferiert und dort regeneriert, also das Kohlendioxid wieder freigesetzt. Dadurch ist der Kohlendioxidstrom frei von zum Beispiel Stickstoff oder Argon. Fur die Regeneration wird üblicherweise

Energie benötigt. Beispielsweise und bevorzugt ist die Kohlendioxidabtrennvorrichtung ein Amin-Wascher. Der Amin-Wascher weist eine Amin-Regenerationsvorrichtung auf, in welchem das am Amin gebundene Kohlendioxid wieder freigesetzt wird. Die Amin-

Regenerationsvorrichtung ist mit der Warmetauschvorrichtung zur Überführung des in der Warmetauschvorrichtung erwarmten Mediums verbunden. Hierbei kann die

Wärmetauschvorrichtung beispielsweise als Wirbelbettwärmetauscher zur Erzeugung von Dampf ausgefuhrt sein.

In einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung die dem Calcinator benachbarte erste

Stufe des Vorwärmers zur Überführung des die erste Stufe des Vorwärmeres verlassenden Materialstrom mit der Warmetauschvorrichtung verbunden. Benachbart bedeutet hier, dass der Materialstrom beziehungsweise der Gasstrom jeweils von dem einen benachbarten Bauteil zu dem anderen benachbarten Bauteil geführt wird, hier als der Materialstrom vom der dem Calcinator benachbarte erste Stufe des Vorwärmers in den Calcinator und der Gasstrom von dem Calcinator in die dem Calcinator benachbarte erste Stufe des Vorwärmers. Die Wärmetauschvorrichtung ist zur Rückführung des

Materialstroms mit der zweiten Stufe des Vorwärmers verbunden. Die zweite Stufe ist die der ersten Stufe in Materialstromrichtung nachfolgende und in Gasstromrichtung vorangehende Stufe der ersten Stufe. Dieses hat sich als ideales Temperaturfenster herausgestellt, um so beispielsweise hochwertigen Dampf für eine effiziente weitere

Nutzung zu gewinnen.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Anlage für den Betrieb mit einem

Gas mit weniger als 50 Vol.-%, bevorzugt weniger als 10 Vol.-%, Stickstoff in dem dem

Gaseinlass zugeführten Gasstrom ausgelegt. Es handelt sich somit um eine Oxyfuel-

Anlage. Ziel ist es hierbei, möglichst jede Nebenluft oder sonst wie in das System gelangende Luft zu vermeiden, um am Ende des Prozesses möglichst reines

Kohlendioxid zu haben. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht durch die

Ausschleusung nur des festen mineralischen Materials dieses in einfacher Weise.

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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Warmetauschvorrichtung

Umgebungsluft als Warmetauschmedium auf. Das Warmetauschmedium Luft wird mit dem Materialstrom in direkten Kontakt gebracht. Hieraus ergibt sich ein besonderer

Vorteil, wenn die Anlage mit einer Kohlendioxidabtrennvorrichtung verbunden ist und/oder nach dem Oxyfuel-Verfahren betrieben wird. In beiden Fallen gelangt das

Kohlendioxid aus dem Hauptprozess nicht in die Umwelt. Aber durch den Kontakt der

Umgebungsluft, welche auch, wenn nur in geringen Mengen, Kohlendioxid enthält, mit dem heißen, wenigstens teilweise decarbonatisierten, Material nimmt das decarbonatisierte Material wieder Kohlendioxid auf (besonders optimal um 650 °C).

Dieses Kohlendioxid wird spätestens im Calcinator wieder freigesetzt und somit mit dem weiteren Kohlendioxid abgetrennt und nicht in die Umgebung abgegeben. Somit wird nicht nur die Emission von neuem Kohlendioxid verhindert, sondern (wenn auch in geringem Maße) der Atmosphäre entnommen und anschließend gemeinsam mit dem

Kohlendioxid aus dem Ofenprozess abgeschieden und in Folge sequestriert werden.

Hierbei ist der Aufwand minimal, sodass im Vergleich zu herkömmlichen CO,-

Abscheidung und nachfolgenden Sequestrierung Kosten und Energieaufwand minimal sind.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Ofen und/oder der Calcinator eine Ersatzbrennstoffzufuhrvorrichtung auf. Ersatzbrennstoffe müssen (auch gesetzlich vorgegeben) bei einer Mindesttemperatur und für eine Mindestzeitdauer verbrannt werden. Dieses ist im Hauptprozess gut möglich. Für kleine Feuerungsanlagen, beispielsweise in einer Trocknungsvorrichtung, wo wesentlich geringere Temperaturen benötigt werden, wäre dieses unwirtschaftlich. Durch die Nutzung der erfindungsgemäßen Wärmetauschvorrichtung kann aber somit auch die benötigte

Wärme in einfachster Weise mittels Ersatzbrennstoffen bereitgestellt werden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Wärmetauschvorrichtung mit einer Turbine verbunden. Die Turbine ist mit einem Kohlendioxidkompressor verbunden.

Bei einer Abtrennung von Kohlendioxid, beispielsweise nach dem Oxyfuel-Verfahren oder durch Abscheidung in einem Amin-Wäscher, wird das Kohlendioxid verdichtet.

Dieser Schritt ist vergleichsweise energieintensiv im Prozess. Alternativ könnte die thyssenkrupp Industrial Solutions AG 230063P00LU thyssenkrupp AG 13.02.2023 LU103071 7/12

Turbine auch mit einem Generator zur Stromerzeugung verbunden sein, um beispielsweise die Anlage autark von einem externen Stromnetz zu machen.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Warmetauschvorrichtung zweistufig ausgebildet. Die erste Warmetauschstufe ist zum Übertrag der Wärme von dem Materialstrom auf einen Gasstrom ausgebildet. Die zweite Warmetauschstufe ist zur indirekten Übertragung der Wärme von dem in der ersten Wärmetauschstufe erwärmten

Gasstroms auf einen Dampfstrom ausgebildet. Daher kann die zweite Warmetauschstufe beispielsweise als Plattenwärmetauscher oder als Rohrbündelwärmetauscher ausgeführt sein. Hierbei wird bevorzugt das Gas zwischen der ersten Warmetauschstufe und der zweiten Warmetauschstufe im Kreis geführt.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Anlage eine weitere

Warmetauschvorrichtung auf. Beispielsweise ist eine erste Warmetauschvorrichtung zwischen der ersten Stufe des Vorwärmers und der zweiten Stufe des Vorwärmers angeordnet und eine zweite Warmetauschvorrichtung zwischen der zweiten Stufe des

Vorwärmers und der dritten Stufe des Vorwärmers angeordnet. Die erste

Warmetauschvorrichtung und die zweite Warmetauschvorrichtung können dabei unabhängig voneinander verwendet werden, beispielsweise um Wärme für zwei

Unterschiedliche Prozesse bereitzustellen. Alternativ können diese aber auch für das

Wärmetauschmedium in Reihe geschaltet sein. Beispielsweise wird Wasserdampf in der zweiten Wärmetauschvorrichtung zunächst erhitzt und dann in der ersten

Wärmetauschvorrichtung noch weiter erhitzt. Hierdurch kann für den Dampf insgesamt ein höheres Temperaturniveau erreicht werden und so ein höherer Wirkungsgrad.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Wärmetauschvorrichtung eine

Kaltmaterialzuführung auf. Über die Kaltmaterialzuführung wird ein kalter Feststoffstoff der Wärmetauschvorrichtung zugeführt. In der Wärmetauschvorrichtung wird der

Materialstrom und der Kaltmaterialstrom, welcher durch die Kaltmaterialzuführung zugeführt wird, vermischt. Es werden in der Wärmetauschvorrichtung die beiden

Feststoffströme, heiß und kalt direkt gemischt und dadurch wird die Wärme direkt übertragen. Die Wärmetauschvorrichtung ist zur Rückführung des Materialstroms über den Materialeinlass mit dem Vorwärmer verbunden. Insbesondere und bevorzugt wird thyssenkrupp Industrial Solutions AG 230063P00LU thyssenkrupp AG 13.02.2023 LU103071 8/12 der kombiniert Gasstrom (warm und kalt) gemeinsam wieder am Anfang des Verfahrens eingebracht. Hierbei erfolgt beispielsweise und bevorzugt durch die Erwärmung des

Kaltmaterialstroms eine Trocknung des Kaltmaterialstroms. Dieser wird durch die

Mischung in der Wärmetauschvorrichtung beispielsweise auf 90 °C erwärmt und dadurch getrocknet. Die entweichende Feuchtigkeit wird vorzugsweise über die Gasphase abgeführt und entfernt. Beispielsweise kann über die Kaltmaterialzuführung feinkörnige

Materialien zugesetzt, wie zum Beispiel Rohmehl, Kalkstein, Flugaschen, Schlacken,

Altsande und/oder Rückstände aus Betonrückbau, wie beispielsweise Brechsande oder

Zementstein.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Anlage eine Anlage zur

Herstellung von Zementklinker.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Anlage nach einem Verfahren betrieben, wobei die Verbrennungsprozesse ausschließlich innerhalb der Anlage durchgeführt werden. Es wird also auf weitere Verbrennungsprozesse, beispielsweise in einem Trockner oder einem Amin-Wäscher verzichtet oder diese zumindest in hohem

Maße reduziert. Wie bereits ausgeführt, erleichtert dieses wesentlich die Abgasreinigung und insbesondere die Kohlendioxidabtrennung. Ebenso erleichtert es die Verwendung von Ersatzbrennstoffen für alle thermischen Prozesse.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die in der Wärmetauschvorrichtung ausgeschleuste Wärmemenge in Abhängigkeit der Temperatur des Gasstromes am

Gasauslass oder einem dem Gasauslass nachgelagerten Punkt des Gasstromes geregelt. Die Regelung kann beispielsweise über die Regelung der Durchflussmenge des

Wärmetauschfluids durch die Wärmetauschvorrichtung erfolgen. Es gibt den Prozessen nachgelagerte Abgasreinigungsprozesse, beispielsweise spezielle Staubabscheider, die nicht über eine gewisse Temperatur kommen dürfen. Durch diese Regelung ist es möglich, auch bei Temperaturschwankungen im Prozess die Austrittstemperatur des

Gasstromes in einfacher Weise zu kontrollieren, ohne direkt in den Hauptprozess einzugreifen.

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Nachfolgend ist die erfindungsgemäße Anlage anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 Stand der Technik

Fig. 2 erstes Beispiel

Fig. 3 zweites Beispiel

Fig. 4 drittes Beispiel

Fig. 5 viertes Beispiel

Fig. 6 fünftes Beispiel

In Fig. 1 ist zunächst eine Anlage nach dem Stand der Technik. Thermisch zu behandelndes Material wird über den Materialeinlass 51 in den Vorwärmer 10 eingebracht und stufenweise in der dritten Stufe 13, der zweiten Stufe 12 und der ersten

Stufe 11 vorgewärmt. Die Stufen 11, 12, 13 sind hierbei als Gleichstromwärmetauscher mit Abscheidezyklon ausgeführt. Das vorgewärmte Material wird in den Calcinator 20 überführt, anschließend in den Ofen 30 sowie abschließend einen Materialkühler 40 und von dort zum Materialauslass 52. Der Gasstrom wird zum Materialstrom insgesamt im

Gegenstrom geführt. Das Gas wird durch den Gaseinlass 61 in den Materialkühler 40 eingebracht, dort vorgewärmt und in den Ofen 30 überführt. Im Ofen 30 erfolgt üblicherweise eine Verbrennung zur Erwärmung / Energiebereitstellung. Das Gas wird weiter in den Calcinator 20 überführt, wo zumeist eine weitere Verbrennung erfolgt. Das

Gas wird aus dem Calcinator 20 in den Vorwärmer 10 und anschließend zum Gasauslass 62 überführt.

Hierbei sind alle weiteren dem Fachmann bekannte Abwandlungen oder Variationen möglich, die für solche Anlagen üblich und bekannt sind, beispielsweise und insbesondere ein Gasbypass zwischen dem Materialkühler 40 und dem Calcinator 20.

Ebenso kann der Materialkühler 40 beispielsweise einen weiteren Gasstrom aufweisen, beispielsweise insbesondere im Endbereich (bei geringer Temperatur des Materials).

Fig. 2 zeigt nun zusätzlich zum Stand der Technik eine Wärmetauschvorrichtung 70 in einem ersten Beispiel auf. Der Materialstrom nach dem Abscheidezyklon der zweiten

Stufe wird teilweise in die Wärmetauschvorrichtung 70 überführt. Dadurch kann das thyssenkrupp Industrial Solutions AG 230063P00LU thyssenkrupp AG 13.02.2023 LU103071 10/12

Material in einfacher Weise ausgeschleust werden, ohne dass beim Wiedereinbringen

Nebenluft in die Anlage eingebracht wird. Im gezeigten Beispiel wird der Materialstrom mit einem Medium, beispielsweise Luft, welches durch den Mediumeinlass 71 zugeführt wird, in einem Gleichstromwarmetauscher in Kontakt gebracht und anschließend in einem Abscheidezyklon wieder getrennt. Somit kann das erwarmte Medium, beispielsweise Luft, durch den Mediumauslass 72 abgegeben und einem weiteren

Prozess zugeführt werden.

Das in Fig. 3 gezeigte zweite Beispiel weist zusätzlich zum in Fig. 2 gezeigten Beispiel zusätzlich ein Mahlvorrichtung 80 auf. Das in der Wärmetauschvorrichtung 70 erwärmte

Medium wird in die Mahlvorrichtung 80 überführt. Über den Mahlguteinlass 81 wird das ungemahlene Material der Mahlvorrichtung 80 zugeführt, dort vermahlen und dann über den Materialeinlass 51 in den Vorwärmer 10 überführt. Hierbei muss das Material nicht direkt und unverzüglich überführt werden, vielmehr kann bevorzugt eine

Zwischenspeicherung in einem Silo erfolgen. Beispielsweise kann auch eine weitere

Versmischung, auch mit weiteren Feststoffen, erfolgen. Das in der Mahlvorrichtung 80 abgekühlte Medium wird über den Kaltmediumauslass 73 abgegeben und könnte wenigstens teilweise zum Mediumeinlass 71 zurückgeführt werden.

Das in Fig. 4 gezeigte dritte Beispiel weist zusätzlich zum in Fig. 2 gezeigten Beispiel eine Kohlendioxidabtrennvorrichtung 90, beispielsweise einen Amin-Wäscher auf. Das

Abgas der Anlage wird vom Gasauslass 62 in die Kohlendioxidabtrennvorrichtung 90 überführt, genauer in den Absorber 91. Im Absorber 91 wird insbesondere ein großer

Anteil, beispielsweise 90 %, des Kohlendioxids gebunden, beispielsweise an einem

Amin. Das so gereinigte Abgas wird dann über den Abgasauslass 63 abgegeben. Das mit gebundenem Kohlendioxid beladene Waschsystem, beispielsweise Amin, wird vom

Absorber 91 in einen Regenerator 92 überführt, um dort das Kohlendioxid wieder freizusetzen und so das Waschsystem weder in den Absorber 91 zurück überführt werden. Die für die Regeneration notwendige Energie wird durch das in der

Wärmetauschvorrichtung 70 erwärmte Medium aus dem Mediumauslass 72 der

Kohlendioxidabtrennvorrichtung 90 zugeführt und nach Abgabe der notwendigen Energie über den Kaltmediumauslass 73 wieder abgegeben. Hierbei verläuft das Medium üblicherweise in einem getrennten System, beispielsweise Wärmetauschrohren, sodass thyssenkrupp Industrial Solutions AG 230063P00LU thyssenkrupp AG 13.02.2023 LU103071 11/12 es nicht zu einem direkten Kontakt zwischen dem Amin und dem Medium kommt.

Hierdurch wird auch eine anschließende Trennung des Mediums vom Amin oder

Kohlendioxid vermeiden. Das Medium kann vom Kaltmediumauslass 73 erneut dem

Mediumeinlass 71 zugeführt werden. Nach der erneuten Freisetzung des Kohlendioxids wird dieses Uber den Kohlendioxidauslass 93 abgegeben und kann weiterverwendet werden.

Fig. 5 zeigt ein viertes Beispiel. Die Anlage wird in diesem Fall im Oxyfuel-Verfahren betrieben, sodass das Abgas am Gasauslass 62 (nach einer nicht gezeigten

Entfeuchtung) zu einem extrem hohen Anteil aus Kohlendioxid, sodass dieses in einen

Verdichter 100 geführt und über einen Kohlendioxidauslass 102 abgegeben wird. Der

Verdichter 100 wird über einer Turbine 101 angetrieben. Um die Turbine 101 anzutreiben ist die Warmetauschvorrichtung 70 zweistufig ausgeführt. In einer ersten

Wärmetauschstufe wird die Wärme auf ein im Kreis geführtes Gas übertragen und in der zweiten Warmetauschstufe 74 auf einen Dampf, welcher über den Dampfeinlass 75 zugeführt und als HeiRdampf 76 in die Turbine 101 überführt wird, übertragen. Der nach der Turbine 101 abgekühlte Dampf wird Uber den Dampfauslass 77 wieder abgegeben und kann zu Dampfeinlass 75 zurückgeführt werden.

Fig. 6 zeigt ein funftes Beispiel, welches sich in der Art der Warmetauschvorrichtung 70 von dem zweiten Beispiel aus Fig. 3 unterscheidet. Die Wärmetauschvorrichtung 70 ist im gezeigten fünften Beispiel ein Wirbelbettwärmetauscher 78, welches über eine

Fluidisierungsluftkreislauf 79 eine Wirbelschicht im Inneren erzeugt. Innerhalb der

Wirbelschicht sind Wärmetauschrohre angeordnet, die Über einen Mediumeinlass 71 mit einem Medium versorgt werden und dieses Medium erwärmt über den Medienauslass 72 an die Mahlvorrichtung 80 weiter geführt wird.

Bezugszeichen 10 Vorwärmer 11 erste Stufe 12 zweite Stufe 12 dritte Stufe 20 Calcinator thyssenkrupp Industrial Solutions AG 230063P00LU thyssenkrupp AG 13.02.2023 LU103071 12/12 30 Ofen 40 Materialkühler 51 Materialeinlass 52 Materialauslass 61 Gaseinlass 62 Gasauslass 63 Abgasauslass 70 Warmetauschvorrichtung 71 Mediumeinlass 72 Mediumauslass 73 Kaltmediumauslass 74 zweite Warmetauschstufe 75 Dampfeinlass 76 HeilRdampf 77 Dampfauslass 78 Wirbelbettwärmetauscher 79 Fluidisierungsluftkreislauf 80 Mahlvorrichtung 81 Mahlguteinlass 82 Kaltmediumauslass 90 Kohlendioxidabtrennvorrichtung 91 Absorber 92 Regenerator 93 Kohlendioxidauslass 100 Verdichter 101 Turbine 102 Kohlendioxidauslass

Claims

thyssenkrupp Industrial Solutions AG 230063P00LU thyssenkrupp AG 13.02.2023 LU103071 1/3 Patentanspriiche

1. Anlage zur thermischen Behandlung eines mineralischen Materials, wobei die Anlage einen Vorwärmer (10), einen Calcinator (20) und einen Ofen (30) aufweist, wobei die Anlage einen Gaseinlass (61) und einen Gasauslass (62) sowie einen Materialeinlass (51) und einen Materialauslass (52) aufweist, wobei die Bestandteile zur Überführung eines Materialstromes vom Materialeinlass (51) über den Vorwärmer (10), den Calcinator (20) und den Ofen (30) zum Materialauslass (52) verbunden sind, wobei die Bestandteile zur Überführung eines Gasstromes vom Gaseinlass (61) Uber den Ofen (30), den Calcinator (20) und den Vorwärmer (10) zum Gasauslass (62) verbunden sind, wobei der Vorwärmer (10) mehrstufig ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Calcinator (20) zur Überführung des den Calcinator (20) verlassenden Materialstrom oder der Vorwärmer (10) zur Überführung des eine Stufe (11, 12, 13) des Vorwärmers (10) verlassenden Materialstrom mit einer Warmetauschvorrichtung (70) verbunden ist, wobei die Warmetauschvorrichtung (70) zur Rückführung des Materialstroms mit dem Vorwärmer (10) verbunden ist.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Warmetauschvorrichtung (70) ein Gleichstromwärmetauscher mit Abscheidezyklon oder ein Wirbelbettwärmetauscher (78) ist.

3. Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschvorrichtung (70) mit einer Mahlvorrichtung (80) oder einer Trocknungsvorrichtung verbunden ist.

4. Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasauslass (62) der Anlage mit einer Kohlendioxidabtrennvorrichtung (90) verbunden ist.

5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlendioxidabtrennvorrichtung (90) ein Amin-Wäscher ist, wobei der Amin- Wäscher eine Amin-Regenerationsvorrichtung aufweist, wobei die Amin-

thyssenkrupp Industrial Solutions AG 230063P00LU thyssenkrupp AG 13.02.2023 LU103071 2/3 Regenerationsvorrichtung mit der Wärmetauschvorrichtung (70) zur Überführung des in der Wärmetauschvorrichtung (70) erwärmten Mediums verbunden sind.

6. Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Calcinator (20) benachbarte erste Stufe (11) des Vorwärmers (10) zur Überführung des die erste Stufe (11) des Vorwärmers (10) verlassenden Materialstrom mit der Wärmetauschvorrichtung (70) verbunden ist und die Wärmetauschvorrichtung (70) zur Rückführung des Materialstroms mit der zweiten Stufe (12) des Vorwärmer (10) verbunden ist, wobei die zweite Stufe (12) die der ersten Stufe (11) in Materialstromrichtung nachfolgende und in Gasstromrichtung vorangehende Stufe der ersten Stufe (11) ist.

7. Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage für den Betrieb mit einem Gas mit weniger als 50 Vol.-%, bevorzugt weniger als 10 Vol.-%, Stickstoff in dem dem Gaseinlass (61) zugeführten Gasstrom ausgelegt ist.

8. Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschvorrichtung (70) Umgebungsluft als Wärmetauschmedium aufweist, wobei das Wärmetauschmedium Luft mit dem Materialstrom in direkten Kontakt gebracht wird.

9. Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen (30) und/oder der Calcinator (20) eine Ersatzbrennstoffzufuhrvorrichtung aufweist.

10. Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschvorrichtung (70) mit einer Turbine verbunden ist, wobei die Turbine mit einem Kohlendioxidkompressor verbunden ist.

11.Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschvorrichtung (70) zweistufig ausgebildet ist, wobei die erste Wärmetauschstufe zum Übertrag der Wärme auf einen Gasstrom ausgebildet ist, wobei die zweite Wärmetauschstufe (74) zur indirekten Übertragung der Wärme thyssenkrupp Industrial Solutions AG 230063P00LU thyssenkrupp AG 13.02.2023 LU103071 3/3 von dem in der ersten Warmetauschstufe erwärmten Gasstroms auf einen Dampfstrom ausgebildet ist.

12.Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage eine weitere Wärmetauschvorrichtung (70) aufweist.

13.Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Warmetauschvorrichtung (70) eine Kaltmaterialzuführung aufweist, wobei in der Warmetauschvorrichtung (70) der Materialstrom und der Kaltmaterialstrom, welcher durch die Kaltmaterialzuführung zugeführt wird, vermischt wird, wobei die Wärmetauschvorrichtung (70) zur Rückführung des Materialstroms über den Materialeinlass (51) mit dem Vorwärmer (10) verbunden ist.

14. Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage eine Anlage zur Herstellung von Zementklinker ist.

15. Verfahren zum Betreiben einer Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verbrennungsprozesse ausschließlich innerhalb der Anlage durchgeführt werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Wärmetauschvorrichtung (70) ausgeschleuste Wärmemenge in Abhängigkeit der Temperatur des Gasstromes am Gasauslass (62) oder einem dem Gasauslass (62) nachgelagerten Punkt des Gasstromes geregelt wird.