LU103050B1 - Vorrichtung zur Farboptimierung aktivierter Tone - Google Patents

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LU103050B1
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reducing agent
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Leo Fit
Christina Priesemann
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Thyssenkrupp Ag
Thyssenkrupp Ind Solutions Ag
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur thermischen Aktivierung von mineralischen Materialien, wobei die Vorrichtung einen Calcinator 40, eine Reduktionsvorrichtung und einen Materialkühler 70 aufweist, wobei der Calcinator 40 und die Reduktionsvorrichtung zur Überführung von calciniertem Material miteinander verbunden sind, wobei die Reduktionsvorrichtung mit dem Materialkühler 70 zur Überführung von farboptimiertem Material verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktionsvorrichtung ein Wirbelschichtreaktor 50 ist.

Description

thyssenkrupp Industrial Solutions AG 222226P00LU thyssenkrupp AG 14.12.2022 LU103050 1/18
Vorrichtung zur Farboptimierung aktivierter Tone
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Farboptimierung von aktivierten Tonen.
Die Zementindustrie ist ein großer Kohlendioxid-Emittent. Ein wichtiger Punkt ist das aus dem Kalkstein freigesetzte Kohlendioxid. Um die Kohlendioxid-Emissionen zu senken, wird auf Klinkerersatzstoffe zurückgegriffen, welche bei der Aktivierung vorzugsweise eben kein Kohlendioxid freisetzen. Ein wichtiges Produkt sind daher aktivierte Tone. Ein
Problem bei Tonen ist jedoch, dass diese oftmals beispielsweise Eisen enthalten, welches bei einer Aktivierung unter oxidierenden Bedingungen üblicherweise (wenigstens teilweise) aufoxidiert wird und als Fe"! stark rot farbgebend ist. Dieses wird jedoch vom Kunden üblicherweise nicht akzeptiert. Um eine zement- oder klinkerähnliche
Farbe zu erhalten, welche vom Kunden akzeptiert wird, wird der aktivierte Ton oftmals unter reduzierenden Bedingungen behandelt, um das aufoxidierte Eisen wieder zu reduzieren und somit den aktivierten Ton eine zementähnliche Farbe zu geben.
Aus der DE 10 2016 104 738 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermischen
Behandlung von körnigen Feststoffen bekannt.
Aus der DE 102008 020600B4 ist ein Verfahren und eine Anlage zur
Wärmebehandlung feinkörniger mineralischer Feststoffe bekannt.
Aus der DE 10 2011 014 498 A1 ist ein Klinkerersatzstoff bekannt.
Aus der US 2012 / 160 135 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung synthetischer Puzzolane bekannt.
Aus der WO 2021 / 224 055 A1 ist eine Farboptimierung bei der Herstellung aktivierter
Tone bekannt.
Bei der Farboptimierung ergeben sich jedoch zwei Problemstellungen. Zum einen ist eine längere Verweilzeit der bereits aktivierten Tone bei hoher Temperatur schlecht, da es zu thyssenkrupp Industrial Solutions AG 222226P00LU thyssenkrupp AG 14.12.2022 LU103050 2/18 einer Deaktivierung kommen kann. Dieser Effekt ist zusätzlich von der Partikelgröße abhängig. Bei kleineren Partikeln tritt die Deaktivierung schneller ein. Zum anderen ist aber die Reduktion und damit die Farboptimierung ebenfalls von der Partikelgröße abhängig. Je kleiner die Partikel sind, umso schneller geht die Entfärbung, je größer die
Partikel sind, desto länger wird für die Reduktion benötigt. Dieses führt nun dazu, dass ein Optimum gefunden werden muss, bei dem die kleinsten Partikel nicht deaktiviert werden und die größten Partikel noch entfärbt werden. Dieses Optimum wird dadurch erreicht, dass man eine möglichst schmale PartikelgrôBenverteilung wählt, also den
Unterschied zwischen dem kleinsten Partikel und dem größten Partikel gering hält.
Dieses wiederum ist aufwändig und energieintensiv, was wiederum eine neue potentielle
Kohlendioxidquelle schafft, da regenerative Energie für die Prozesse zur Herstellung eines engen Kornbandes nur begrenzt verfügbar ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, bei dem die Farboptimierung auch mit einer deutlich breiteren Partikelgrößenverteilung möglich ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch Vorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen
Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur thermischen Aktivierung von mineralischen
Materialien, insbesondere Tonen. Die Vorrichtung weist einen Calcinator, eine
Reduktionsvorrichtung und einen Materialkühler auf. Der Calcinator und die
Reduktionsvorrichtung sind zur Überführung von calciniertem Material miteinander verbunden. Die Reduktionsvorrichtung ist mit dem Materialkühler zur Überführung von farboptimierten Material verbunden. Erfindungsgemäß ist die Reduktionsvorrichtung ein
Wirbelschichtreaktor. Dieser Wirbelschichtreaktor oder Wirbelbettreaktor hat sich als
Reduktionsvorrichtung als extrem vorteilhaft erweisen, wenn eine breite
Partikelgrößenverteilung vorliegt (ein breites Kornband). Zum einen werden extrem kleine
Partikel sehr schnell mit dem Fluidisierungsgas ausgetragen. Zum anderen hat die
PartikelgréRe auch einen Einfluss auf die Transportgeschwindigkeit im
Wirbelschichtreaktor. Dadurch ermöglicht der Wirbelschichtreaktor die Farboptimierung thyssenkrupp Industrial Solutions AG 222226P00LU thyssenkrupp AG 14.12.2022 LU103050 3/18 in einfacher Weise, da kleine Partikel, welche schnell farboptimiert sind, auch schneller ausgetragen werden, wohingegen große Partikel, welche eine längere Behandlungszeit benötigen, auch eine längere Verweilzeit aufweisen. Somit ist es möglich, deutlich
Energie bei der Zerkleinerung und bei der Fraktionierung der Partikelgrößenverteilung einzusparen.
Zusätzlich kann beispielsweise vor dem Calcinator ein Vorwärmer angeordnet sein.
Hierdurch kann die mit dem Gasstrom aus dem Calcinator ausgetragene Wärme auf das thermisch zu aktivierende Material übertragen werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Reduktionsvorrichtung einen ersten Materialausgang und einen zweiten Materialausgang auf. Insbesondere sind der erste Materialausgang und der zweite Materialausgang auf unterschiedlichen Höhen angeordnet. Beispielsweise kann der erste Materialausgang an der Unterseite der
Wirbelschicht angeordnet sein. Dadurch wird durch den ersten Materialausgang eine
Grobfraktion des farboptimierten Materials ausgetragen. Beispielsweise kann der zweite
Materialaustrag an der Oberseite der Wirbelschicht angeordnet sein. Dadurch wird durch den zweiten Materialausgang eine Feinfraktion des farboptimierten Materials ausgetragen. So kann neben der gezielten Farboptimierung auch gleich eine Trennung nach Größe erfolgen. Die beiden Fraktionen können anschließend getrennt oder vereint weiterverarbeitet werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind der erste Materialausgang und der zweite Materialausgang jeweils mit dem Materialkühler zur Überführung von farboptimierten Material miteinander verbunden. Hierbei werden der erste Materialstrom aus dem ersten Materialausgang und der zweite Materialstrom aus dem zweiten
Materialausgang bevorzugt an unterschiedlichen Stellen in den Materialkühler eingebracht. Hierdurch kann auch eine angepasste Kühlung erfolgen, insbesondere, wenn der erste Materialstrom und der zweite Materialstrom eine unterschiedliche
Partikelgrößenverteilung aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung eine
Desagglomerationsvorrichtung auf. Die Desagglomerationsvorrichtung ist mit dem thyssenkrupp Industrial Solutions AG 222226P00LU thyssenkrupp AG 14.12.2022 LU103050 4/18
Calcinator zur Überführung von desagglomeriertem Material verbunden. Beispielsweise und bevorzugt ist die Desagglomerationsvorrichtung über einen Steigrohrtrockner mit dem Calcinator zur Überführung von desagglomeriertem Material verbunden. Weiter bevorzugt ist die Desagglomerationsvorrichtung eine Hammermühle,
Vertikalrollenmühle, Prallmühle, Pendelrollenmühle oder Rührwerksmühle. Besonders bevorzugt ist die Desagglomerationsvorrichtung eine Hammermuhle.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung eine
Farberfassungsvorrichtung auf. Die Farberfassungsvorrichtung ist zur Erfassung der
Farbe des Produkts ausgebildet. Die Farberfassungsvorrichtung ist in oder entlang des
Produktstromes nach dem Materialkühler angeordnet. Durch die Erfassung der Farbe kann eine Reduktion und damit eine Farboptimierung im notwendigen Maße durchgeführt werden, aber auch auf das notwendige Maß beschränkt werden, wodurch
Reduktionsmittel eingespart werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung eine
Reduktionsmittelzuführung auf. Die Reduktionsmittelzuführung ist mit der
Reduktionsvorrichtung zur Zuführung von Reduktionsmittel verbunden. Als
Reduktionsmittel können verschiedene gasförmige, flüssige oder feste Stoffe eingesetzt werden. Typische gasförmige Reduktionsmittel sind Methan, Wasserstoff oder
Kohlenmonoxid. Beispiele für flüssige Reduktionsmittel sind flüssige Kohlenwasserstoffe.
Ein wichtiges Beispiel für ein festes Reduktionsmittel ist Kohle, insbesondere
Kohlenstaub oder Biomasse. Ist das Reduktionsmittel ein Brennstoff, so erfolgt üblicherweise eine Verbrennung bei einem Unterschuss an Sauerstoff, sodass eine reduzierende Atmosphäre entsteht, beispielsweise und insbesondere Kohlenmonoxid.
Die Vorrichtung weist weiter eine Steuervorrichtung auf. Die Steuervorrichtung ist zur
Regelung der durch die Reduktionsmittelzuführung zugeführten Menge an
Reduktionsmittel ausgebildet. Dazu ist die Steuervorrichtung in entsprechender Weise zur Übertragung von Steuerbefehlen oder durch das direkte Ansteuern von zum Beispiel
Stellmotoren mit der Reduktionsmittelzuführung verbunden. Die Steuervorrichtung ist weiter zur Regelung der Menge an Reduktionsmittel in Abhängigkeit von der
Farberfassungsvorrichtung erfassten Farbe ausgebildet. Dazu weist die
Steuervorrichtung insbesondere eine Datenverbindung zur Farberfassungsvorrichtung thyssenkrupp Industrial Solutions AG 222226P00LU thyssenkrupp AG 14.12.2022 LU103050 5/18 auf, um die von der Farberfassungsvorrichtung erfasste Farbe des Produktes zu erhalten.
Weiter weist die Steuervorrichtung beispielsweise einen Farbschwellenwert auf. Wird der
Farbschwellenwert überschritten, ist die Probe also beispielsweise zu rötlich, so wird die
Zufuhr an Reduktionsmittel erhöht, um eine stärkere Entfärbung zu erreichen. Wird der
Farbschwellwert unterschritten, so wird die Zufuhr an Reduktionsmittel reduziert, um einen unnötigen Verbrauch dessen zu vermeiden. Beispielsweise kann der
Farbschwellenwert auch in Form eines Bereichs vorgegeben sein. Alternativ kann die
Steuerungsvorrichtung eine Zuordnungstabelle aufweisen, in welcher die Menge an
Reduktionsmittel für verschiedene Farbwertbereiche vorgegeben ist. Insgesamt kann somit die minimale Menge an Reduktionsmittel verwendet werden, die benötigt wird, um eine ausreichende Entfärbung und damit Marktakzeptanz zu erreichen.
ES kann vorgesehen sein, dass sowohl ein Reduktionsmittel als auch ein Brennmittel vorgesehen sind. Beispielsweise wird als Brennmittel Biomasse verwendet, wobei beispielsweise eine ungefähr stöchiometrische Verbrennung erfolgt. Dadurch ist nach der
Verbrennung der Restsauerstoffgehalt üblicherweise gering. Anschließend wird beispielsweise Wasserstoff als Reduktionsmittel zugegeben. Dieser weist als kleines
Molekül hervorragende Diffusionseigenschaften auf, wäre als Brennstoff aber teurer als die Biomasse.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der Reduktionsvorrichtung und dem Materialkühler eine gasabschließende Materialschleuse angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Calcinator und der
Reduktionsvorrichtung eine gasabschließende Materialschleuse angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung eine
Gaszuführung zur Reduktionsvorrichtung auf. Die Gaszuführung ist bezüglich
Volumenstrom und Gasgeschwindigkeit regelbar. Die Vorrichtung weist eine
Steuervorrichtung auf. Die Vorrichtung weist weiter eine
PartikelgréRenvorgabevorrichtung auf. Die PartikelgréRenvorgabevorrichtung kann beispielsweise dadurch ausgebildet sein, dass von einer Partikelgrößenmessvorrichtung die PartikelgrôBenverteilung ermittelt und an die PartikelgrôBenvorgabevorrichtung thyssenkrupp Industrial Solutions AG 222226P00LU thyssenkrupp AG 14.12.2022 LU103050 6/18 übergeben wird. Alternativ kann die Partikelgrößenvorgabevorrichtung eine
Eingabevorrichtung im herkömmlichen Sinne sein, bei der ein Bediener die
PartikelgrôBenverteilung entweder direkt oder über eine Auswahl aus vorgegebenen
Verteilungen eingibt. Ebenso kann die PartikelgrôBenvorgabevorrichtung als Schnittstelle zu einem zentralen Datenbanksystem sein, welches Beispielsweise Daten aus der
Laboranalytik oder zu zugelieferten Produkten aufweist und so die
PartikelgrôBenverteilung beispielsweise aufgrund des zugelieferten Materials übergeben kann. Die Steuervorrichtung ist zur Ansteuerung der Gaszuführung in der Art ausgebildet, dass die Steuervorrichtung Volumenstrom und Gasgeschwindigkeit in Abhangigkeit der durch die PartikelgrôBenvorgabevorrichtung vorgegebene PartikelgröRe des Materials steuert. Die PartikelgrôBenverteilung hat einen Einfluss auf die
Lockerungsgeschwindigkeit (Lockerungspunkt), also den Punkt, an dem der Gasstrom den Feststoff gerade zu fluidisieren beginnt. Da bevorzugt die Vorrichtung mit einer
Fluidisierungsgeschwindigkeit des Gasstromes betrieben wird, welche dem 5-fachen bis 15-fachen der Lockerungsgeschwindigkeit entspricht, ist es hilfreich, eine Größe, wie zum Beispiel die PartikelgrôBe zu erfassen, sodass man dadurch eine veränderte
Lockerungsgeschwindigkeit der Wirbelschicht einfach erkennen kann.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die
PartikelgréRenvorgabevorrichtung eine PartikelgrôBenmessvorrichtung auf oder mit dieser verbunden. Beispielsweise kann die PartikelgrôBenmessvorrichtung mittels
Lichtstreuung im oder vor dem Calcinator die PartikelgrôRe und PartikelgrôBenverteilung erfassen. Alternativ können vor oder nach der Reduktionsvorrichtung Proben entnommen und der PartikelgrôBenmessvorrichtung zugeführt werden.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die
Partikelgrößenvorgabevorrichtung eine Eingabevorrichtung, über welche manuell die
Informationen vom Anlagenpersonal eingegeben werden können. Weiter alternativ ist die
Partikelgrößenvorgabevorrichtung eine Schnittstelle, über die Informationen zur
Partikelgrößenverteilung beispielsweise aus einem Analytiklaborsystem übernommen werden können.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Reduktionsvorrichtung
Leitelemente zur Führung des Materialstroms auf. Beispielsweise können diese im unteren Bereich des Wirbelbettes dazu angeordnet sein, den Weg der größten Partikel zu verlängern und dadurch die Verweilzeit dieser größten Partikel in der
Reduktionsvorrichtung zu verlängern.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Reduktionsvorrichtung
Leitelemente zur Führung des Gasstroms auf. Dieses dient dazu, insbesondere den aus der Wirbelschicht bereits ausgetretenen Gasstrom und die mit dem Gasstrom ausgetragenen feinsten Partikel für eine Mindestzeit in der Reduktionsvorrichtung zu halten und so eine sichere Reduktion und Farboptimierung zu gewährleisten. Dieses kann beispielsweise durch eine Labyrinthführung erfolgen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Reduktionsvorrichtung einen
Gasauslass auf. Der Gasauslass ist mit einer Filtervorrichtung verbunden. In der
Filtervorrichtung wird die feinste Fraktion des aktivierten und farboptimierten Materials abgeschieden. Diese Fraktion ist üblicherweise zugleich die aktivste Fraktion. Diese kann entweder mit dem weiteren aktivierten und farboptimierten Material wieder vereinigt werden. Diese feinste Fraktion kann aber auch getrennt weiterverarbeitet werden, beispielsweise für besonders anspruchsvolle Anwendungen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist strömungstechnisch hinter dem
Gasauslass ein Gassensor angeordnet, welcher ausgebildet ist zur Erfassung der
Konzentration eines oder mehrerer Stoffe ausgewählt aus der Liste umfassend
Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff, Methan. Diese Stoffe können entweder direkt als Reduktionsmittel eingesetzt werden oder entstehen in der
Reduktionsvorrichtung. Daher kann die erfasste Konzentration am Ausgang als Indikator für einen Überschuss an —Reduktionsmittel verwendet werden. Die
Kohlendioxidkonzentration wird bevorzugt zusammen mit der
Kohlenmonoxidkonzentration erfasst, insbesondere um das Verhältnis zu ermitteln.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung einen Bypass zwischen Calcinator und Materialkühler zur Umgehung der Reduktionsvorrichtung auf.
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Dieser Bypass wird bevorzugt ausschließlich für das Anfahren und Abfahren der
Vorrichtung verwendet. Über den Bypass kann das aktivierte Material an der
Reduktionsvorrichtung direkt in den Materialkühler überführt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Reduktionsvorrichtung ein
Tauchrohr für die Zuführung von aktiviertem Material auf. Das Tauchrohr reicht hierbei bevorzugt in die Wirbelschicht hinein. Hierdurch wird das aktivierte Material direkt ins
Innere der Wirbelschicht eingebracht, sodass sich insbesondere für die feinsten Partikel die Verweilzeit etwas verlängert und so auch für die feinsten Partikel eine
Farboptimierung gewährleistet ist.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Farboptimierung eines aktivierten Materials mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Für die Farboptimierung in der Reduktionsvorrichtung wird eine breite Partikelgrößenverteilung ausgewählt, wobei die breite PartikelgrôBenverteilung sich dadurch auszeichnet, dass wenigstens 10 Gew.- % der Partikel kleiner als 50 um und wenigstens 10 Gew.-% der Partikel größer als 250 ym sind. Ein derartiges breites Kornband (Partikelgrößenverteilung) ist ungewöhnlich und für die bisherigen Anlagen nicht zu verarbeiten. Bei bisherigen
Anlagen würden die sehr kleinen Partikel schon deaktiviert, bevor die sehr großen
Partikel farboptimiert werden. Die Verwendung eines Wirbelschichtreaktors erlaubt aber gerade die Verwendung dieser breiten PartikelgrôBenverteilung. Dadurch kann bei der
Zerkleinerung beziehungsweise Desagglomeration viel Energie gespart werden und/oder auf einen Größentrennungsschritt verzichtet werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die PartikelgrôBenverteilung so ausgewählt, dass alle Partikel kleiner als 2 mm sind.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die PartikelgrôBenverteilung so ausgewählt, dass wenigstens 5 Gew.-% der Partikel größer als 900 um sind.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die PartikelgrôBenverteilung so ausgewählt, dass wenigstens 5 Gew.-% der Partikel kleiner als 20 um sind.
thyssenkrupp Industrial Solutions AG 222226P00LU thyssenkrupp AG 14.12.2022 LU103050 9/18
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden mindestens 10 Gew.-% des
Materialstromes aus der Reduktionsvorrichtung über den Gasstrom durch den
Gasauslass ausgetragen und in der Filtervorrichtung abgeschieden. Dieses bedeutet, dass die feinste Fraktion mit einer besonders geringen PartikelgrôBe eben mindestens
Gew.-% ausmacht. Dieser Anteil würde nach einem herkömmlichen Verfahren mit hoher Wahrscheinlichkeit in der Reduktionsvorrichtung wieder an Aktivität verlieren. In einem Wirbelschichtreaktor gemäß der Erfindung wird diese Fraktion jedoch über das
Fluidisierungsgas sehr schnell ausgetragen, sodass zwar die Farboptimierung, jedoch keine Deaktivierung erfolgt. Durch diesen Effekt der Wirbelschicht erfolgt zugleich eine 10 Abtrennung der Feinstfraktion.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Fluidisierungsgeschwindigkeit in der Reduktionsvorrichtung so gewählt, dass die Fluidisierungsgeschwindigkeit dem 5- fachen bis dem 15-fachen der Lockerungsgeschwindigkeit beträgt. Die
Lockerungsgeschwindigkeit beziehungsweise der Lockerungspunkt ist die
Strömungsgeschwindigkeit des Fluidisierungsgases, bei dem eine Fluidisierung des
Materials eintritt, also die theoretisch niedrigste Geschwindigkeit zur Ausbildung der
Wirbelschicht. Durch diese höhere Fluidisierungsgeschwindigkeit wird die unterschiedliche Verweilzeit der Partikel in Abhängigkeit der Größe deutlich unterstützt, was bedeutet, dass gerade die feinsten Partikel, welche sehr schnell farboptimiert werden und welche auch entsprechend schnell wieder an Aktivität verlieren würden, eben sehr schnell mit dem Gas auch wieder ausgetragen werden, also nur eine vergleichsweise kurze Verweilzeit aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das der Reduktionsvorrichtung zugeführte Fluidisierungsgas eine Temperatur von mindestens 700°C auf.
Beispielsweise und insbesondere kann als Gas ein Abgas mit einem Sauerstoffanteil von weniger als 15 Vol.-% verwendet werden. Je geringer der Sauerstoffgehalt und je höher die Temperatur des verwendeten Abgases ist, umso weniger muss dieses weiter erwärmt werden, wodurch weniger Brennstoff (und damit Reduktionsmittel) benötigt wird.
Bevorzugt weist das Abgas jedoch einen Sauerstoffanteil von mehr als 0,5 Vol.-% auf, um eine Verbrennung und damit eine Energiefreisetzung zu ermöglichen. Der Vorgang der Farboptimierung, beispielsweise die Reduktion von dreiwertiges Eisen ist endotherm,
thyssenkrupp Industrial Solutions AG 222226P00LU thyssenkrupp AG 14.12.2022 LU103050 10/18 sodass sich die Temperatur erniedrigen würde. Zusätzlich strahlt die
Reduktionsvorrichtung Wärme ab. Insbesondere um diese beiden Effekte in der
Reduktionsvorrichtung kompensieren zu können und keine Abkühlung in der
Reduktionseinrichtung zuzulassen, weist das Gas eben bevorzugt einen entsprechenden
Restsauerstoffgehalt auf.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Reduktionsmittel direkt in die
Reduktionsvorrichtung eingebracht. Beispielsweise kann Kohle, insbesondere
Kohlenstaub, oder Biomasse über eine direkte Zuführung in die Reduktionsvorrichtung eingebracht werden. Hierdurch wird zum einen die reduzierende Atmosphäre direkt in der
Wirbelschicht erzeugt, zum anderen wird die Wärme durch eine Verbrennung ebenfalls direkt zur Verfügung gestellt und so eine konstante Temperatur gehalten. Alternativ kann beispielsweise Wasserstoff oder Methan direkt in die Reduktionsvorrichtung eingebracht werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Reduktionsmittel mit dem
Gasstrom in die Reduktionsvorrichtung eingebracht. Hierfür eigenen sich vor allem gasförmige Reduktionsmittel wie Wasserstoff und Methan aber auch flüssige
Reduktionsmittel, beispielsweise flüssige Kohlenwasserstoffe.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Reduktionsmittel mit dem
Materialstrom in die Reduktionsvorrichtung eingebracht. Dieses ist bevorzugt für feste
Reduktionsmittel, wie zum Beispiel Kohle, insbesondere Kohlenstaub. Hier erfolgte eine
Vermischung von Reduktionsmittel mit aktiviertem Material bereits vor der Einbringung in die Reduktionsvorrichtung, sodass die reduzierende Atmosphäre für alle Partikel von
Anfang an in gleicher Weise gegeben ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird bei eisenhaltigen Mineralien, insbesondere Tone, mit einem Fe‚,O; Gehalt über 20 Gew.-% eine Reduktion wenigstens 80% des Eisens durchgeführt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird bei eisenhaltigen Mineralien, insbesondere Tone, mit einem Fe,O3 Gehalt zwischen 10 Gew.-% und 20 Gew.-% eine thyssenkrupp Industrial Solutions AG 222226P00LU thyssenkrupp AG 14.12.2022 LU103050 11/18
Reduktion 50 bis 80% des Eisens durchgeführt. Hierbei wird der Anteil des zu reduzierenden Anteils des Eisens von 50 % bei 10 Gew.-% auf 80 % bei 20 Gew.-% gesteigert. Dieses kann beispielsweise linear oder stufenweise erfolgen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird bei eisenhaltigen Mineralien, insbesondere Tone mit einem Fe,O3 Gehalt unter 10 Gew.-% nur eine Reduktion von bis zu 50 % des Eisens durchgeführt.
Nachfolgend ist die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Fig. 1 erstes Ausführungsbeispiel
Fig. 2 zweites Ausführungsbeispiel
Fig. 3 drittes Ausführungsbeispiel
In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäBen Vorrichtung zur
Herstellung von farboptimierten aktivierten Material, insbesondere Tonen, dargestellt.
Das Material gelangt zunächst in eine Hammermühle und wird dort desagglomeriert.
Hierbei entsteht eine vergleichsweise breite PartikelgrôBenverteilung. Das desagglomerierte Material wird anschließend in einem Steigrohrtrockner angehoben und getrocknet. Anschließend gelangt das Material über einen Vorwärmer in einen Calcinator und wird dort thermisch aktiviert. Bei der Aktivierung unter oxidierenden Bedingungen tritt jedoch beispielsweise auch eine Aufoxidation von Eisen zu Fe! auf, sodass sich das
Material rötlich verfärbt. Die Aufoxidation erfolgt nicht zwingend quantitativ, es werden also nicht zwingend alle Eisen-Atome auf Fell aufoxidiert. Um dieses wieder rückgängig zu machen, wird das thermisch aktivierte Material in einen Wirbelschichtreaktor 50 eingebracht. Zur Fluidisierung der Wirbelschicht wird dem Wirbelschichtreaktor 50
Fluidisierungsgas aus einer Fluidisierungsgaszufuhr 100 über eine Brennkammer 90 zugeführt, wobei der Brennkammer 90 über eine Reduktionsmittelszufuhr 110 beispielsweise Kohlenstaub im Überschuss zum mit dem Fluidisierungsgas zugeführten
Sauerstoff zugeführt wird, sodass Kohlenmonoxid in der Brennkammer entsteht. Als
Fluidisierungsgas kann beispielsweise ein sauerstoffarmes Abgas aus einem Prozess, beispielsweise vom Vorwärmer 30 verwendet werden. Der Wirbelschichtreaktor wird thyssenkrupp Industrial Solutions AG 222226P00LU thyssenkrupp AG 14.12.2022 LU103050 12/18 beispielsweise derart betrieben, dass die Fluidisierungsgeschwindigkeit dem 5- 15- fachen der Lockerungsgeschwindigkeit entspricht. Dadurch werden die feinsten Partikel, welche auch am schnellsten reduzieren und dadurch farboptimiert werden, schnell durch den Gasauslass ausgetragen und gelangen in die Filtervorrichtung 60, in der diese dann abgeschieden werden. Weiter weist der Wirbelschichtreaktor zwei Ausgänge für das farboptimierte Material aus. Einer dieser Ausgänge ist an der Unterseite angeordnet und dient zur Entnahme der größten Partikel, der zweite Ausgang ist im oberen Bereich der
Wirbelschicht angeordnet und dient zur Entnahme der mittleren Partikelfraktion. Alle drei
Fraktionen des farboptimierten Materials werden einem Materialkühler 70 zugeführt.
Nach der Kühlung erfolgt die Ermittlung der Farbe in der Farberfassungsvorrichtung 80.
Hierdurch kann die Zugabe an Reduktionsmittel über die Reduktionsmittelzufuhr 110 so geregelt werden, dass möglichst wenig Reduktionsmittel zugegeben wird, aber dennoch eine ausreichende Entfärbung erzielt wird.
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, welches sich von dem ersten in Fig. 1 gezeigtem Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, dass das Reduktionsmittel vor dem Wirbelschichtreaktor 50 mit dem aktivierten Material vermischt und mit diesem gemeinsam in den Wirbelschichtreaktor 50 eingebracht wird. Beispielsweise wird
Kohlenstaub über die Reduktionsmittelszufuhr 110 zugeführt. Dadurch wird auch die
Wärmezufuhr direkt in der Wirbelschicht des Wirbelschichtreaktors 50 durch
Verbrennung erzeugt. Diese Ausführungsform ist bevorzugt, wenn das durch die
Fluidisierungsgaszufuhr 100 zugeführte Fluidisierungsgas schon nahe an (knapp unterhalb) der Behandlungstemperatur ist.
In Fig. 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel gezeigt, welches sich von dem ersten in Fig. 1 gezeigtem Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, dass zum einen hinter dem
Gasauslass ein Gassensor 120 angeordnet ist, sodass neben der Farberfassung in der
Farberfassungsvorrichtung 80 auch die im Abgas noch vorhandenen reduzierenden
Bestandteile als Regelungsgröße verwendet werden können. Beispielsweise kann der
Gassensor 120 ein Kohlenmonoxid-Sensor sein. Zusätzlich wird die feinste
Materialfraktion aus der Filtervorrichtung 60 separiert wird. Diese weist oftmals die höchste Reaktivität auf und kann daher für besonders hochwertige Produkte verwendet werden.
thyssenkrupp Industrial Solutions AG 222226P00LU thyssenkrupp AG 14.12.2022 LU103050 13/18
Bezugszeichen
Hammermühle
Steigrohrtrockner s 30 Vorwärmer
Calcinator
Wirbelschichtreaktor 60 Filtervorrichtung 70 Materialkühler 10 80 Farberfassungsvorrichtung 90 Brennkammer 100 Fluidisierungsgaszufuhr 110 Reduktionsmittelszufuhr 120 Gassensor

Claims (26)

thyssenkrupp Industrial Solutions AG 222226P00LU thyssenkrupp AG 14.12.2022 LU103050 14/18 Patentansprüche
1. Vorrichtung zur thermischen Aktivierung von mineralischen Materialien, wobei die Vorrichtung einen Calcinator (40), eine Reduktionsvorrichtung und einen Materialkühler (70) aufweist, wobei der Calcinator (40) und die Reduktionsvorrichtung zur Überführung von calciniertem Material miteinander verbunden sind, wobei die Reduktionsvorrichtung mit dem Materialkühler (70) zur Überführung von farboptimierten Material verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktionsvorrichtung ein Wirbelschichtreaktor (50)
ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktionsvorrichtung einen ersten Materialausgang und einen zweiten Materialausgang aufweist, wobei der erste Materialausgang und der zweite Materialausgang jeweils mit dem Materialkühler (70) zur Überführung von farboptimierten Material miteinander verbunden sind.
3. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Desagglomerationsvorrichtung aufweist, wobei die Desagglomerationsvorrichtung mit dem Calcinator (40) zur Überführung von desagglomeriertem Material verbunden ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Desagglomerationsvorrichtung über einen Steigrohrtrockner (20) mit dem Calcinator (40) zur Überführung von desagglomeriertem Material verbunden ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Desagglomerationsvorrichtung eine Hammermühle (10), Vertikalrollenmühle, Prallmühle, Pendelrollenmühle oder Rührwerksmühle ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Desagglomerationsvorrichtung eine Hammermühle (10) ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Farberfassungsvorrichtung (80) aufweist, wobei die thyssenkrupp Industrial Solutions AG 222226P00LU thyssenkrupp AG 14.12.2022 LU103050 15/18 Farberfassungsvorrichtung (80) zur Erfassung der Farbe des Produkts ausgebildet ist, wobei die Farberfassungsvorrichtung (80) in oder entlang des Produktstromes nach dem Materialkühler (70) angeordnet ist.
8. Vorrichtung Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Reduktionsmittelzuführung aufweist, wobei die Reduktionsmittelzuführung mit der Reduktionsvorrichtung zur Zuführung von Reduktionsmittel verbunden ist, wobei die Vorrichtung eine Steuervorrichtung aufweist, wobei die Steuervorrichtung zur Regelung der durch die Reduktionsmittelzuführung zugeführten Menge an Reduktionsmittel ausgebildet ist, wobei die Steuervorrichtung zur Regelung der Menge an Reduktionsmittel in Abhängigkeit von der Farberfassungsvorrichtung (80) erfassten Farbe ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Reduktionsvorrichtung und dem Materialkühler (70) eine gasabschließende Materialschleuse angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Gaszuführung zur Reduktionsvorrichtung aufweist, wobei die Gaszuführung bezüglich Volumenstrom und Gasgeschwindigkeit regelbar ist, wobei die Vorrichtung eine Steuervorrichtung aufweist, wobei die Vorrichtung eine Partikelgrößenvorgabevorrichtung aufweist, wobei die Steuervorrichtung zur Ansteuerung der Gaszuführung ausgebildet ist, wobei die Steuervorrichtung Volumenstrom und Gasgeschwindigkeit in Abhängigkeit der durch die PartikelgröRenvorgabevorrichtung vorgegebene PartikelgrôBe des Materials steuert.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die PartikelgréRenvorgabevorrichtung eine PartikelgröRßenmessvorrichtung ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktionsvorrichtung Leitelemente zur Führung des Materialstroms aufweist.
thyssenkrupp Industrial Solutions AG 222226P00LU thyssenkrupp AG 14.12.2022 LU103050 16/18
13. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktionsvorrichtung einen Gasauslass aufweist, wobei der Gasauslass mit einer Filtervorrichtung (60) verbunden ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass strömungstechnisch hinter dem Gasauslass ein Gassensor (120) angeordnet ist, wobei der Gassensor (120) ausgebildet ist zur Erfassung der Konzentration eines oder mehrerer Stoffe ausgewählt aus der Liste umfassend Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff, Methan.
15. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Bypass zwischen Calcinator (40) und Materialkühler (70) zur Umgehung der Reduktionsvorrichtung aufweist.
16. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktionsvorrichtung ein Tauchrohr für die Zuführung von aktiviertem Material aufweist.
17. Verfahren zur Farboptimierung eines aktivierten Materials mit einer Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei für die Farboptimierung in der Reduktionsvorrichtung eine breite PartikelgrôBenverteilung ausgewählt wird, wobei die breite Partikelgrößenverteilung sich dadurch auszeichnet, dass wenigstens 10 Gew.-% der Partikel kleiner als 50 um und wenigstens 10 Gew.-% der Partikel größer als 250 um sind.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens 5 Gew.-% der Partikel größer als 900 um sind.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 10 Gew.-% des Materialstromes aus der Reduktionsvorrichtung über den Gasstrom durch den Gasauslass ausgetragen und in der Filtervorrichtung (60) abgeschieden werden.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidisierungsgeschwindigkeit in der Reduktionsvorrichtung so gewählt wird,
thyssenkrupp Industrial Solutions AG 222226P00LU thyssenkrupp AG 14.12.2022 LU103050 17/18 dass die Fluidisierungsgeschwindigkeit dem 5-fachen bis dem 15-fachen der Lockerungsgeschwindigkeit beträgt.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das der Reduktionsvorrichtung zugeführte Gas eine Temperatur von mindestens 700 °C aufweist.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reduktionsmittel direkt in die Reduktionsvorrichtung eingebracht wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reduktionsmittel mit dem Gasstrom in die Reduktionsvorrichtung eingebracht wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reduktionsmittel mit dem Materialstrom in die Reduktionsvorrichtung eingebracht wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass bei eisenhaltigen Mineralien mit einem Fe,O3 Gehalt über 20 Gew.-% nur eine Reduktion wenigstens 80 % des Eisens durchgeführt wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass bei eisenhaltigen Mineralien mit einem Fe,O3 Gehalt unter 10 Gew.-% nur eine Reduktion von bis zu 50 % des Eisens durchgeführt wird.
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