WO2024251708A1 - Materialkühler - Google Patents

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WO2024251708A1
WO2024251708A1 PCT/EP2024/065278 EP2024065278W WO2024251708A1 WO 2024251708 A1 WO2024251708 A1 WO 2024251708A1 EP 2024065278 W EP2024065278 W EP 2024065278W WO 2024251708 A1 WO2024251708 A1 WO 2024251708A1
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WO
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cooling zone
material cooler
cooler
oxygen
water
Prior art date
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PCT/EP2024/065278
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English (en)
French (fr)
Inventor
Eike Willms
Constantin KIMMIG
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ThyssenKrupp AG
Thyssenkrupp Polysius GmbH
Original Assignee
ThyssenKrupp AG
Thyssenkrupp Polysius GmbH
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    • F27B7/00—Rotary-drum furnaces, i.e. horizontal or slightly inclined
    • F27B7/20—Details, accessories or equipment specially adapted for rotary-drum furnaces
    • F27B7/38—Arrangements of cooling devices
    • F27B7/383—Cooling devices for the charge
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F27D17/00—Arrangements for using waste heat; Arrangements for using, or disposing of, waste gases
    • F27D17/10—Arrangements for using waste heat
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    • F27D2009/0075—Cooling of charges therein the cooling medium being a gas in direct contact with the charge
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    • F27D2009/0081—Cooling of charges therein the cooling medium being a fluid (other than a gas in direct or indirect contact with the charge)
    • F27D2009/0083—Cooling of charges therein the cooling medium being a fluid (other than a gas in direct or indirect contact with the charge) the fluid being water

Definitions

  • the invention relates to a material cooler with sealing of the warmer part exposed to oxygen against the ambient air in the colder part of the material cooler.
  • Plants, for example for the production of clinker, are now operated using the so-called oxyfuel process, i.e. ideally in pure oxygen.
  • the gas at the end of the process is ideally carbon dioxide (with water vapor, which can be separated very easily and thus does not reduce the carbon dioxide concentration at the inlet of a downstream carbon dioxide separation device.
  • carbon dioxide can be separated out in a simple manner and thus emissions can be avoided.
  • this eliminates the need for complex separation, particularly of nitrogen.
  • any source of secondary air i.e. the possibility of ambient air entering the system, should be avoided as far as possible.
  • a common separation point between the oxygen-containing area and the ambient air is usually found in the material cooler, where cooling takes place at least at the end with ambient air.
  • a method for cooling granular solid material is known from US 8 850 831 B2. From DE 21 58 317 A1 a burning device for burning ore pellets and similar bodies is known.
  • separating or baffles are usually used in the material cooler to minimize the gas flows between the different areas. These measures take effect above the material bed and thus reduce mixing. However, these measures have no effect within the material bed, where gas mixing can occur. However, this still leads to mixing and thus to the loss of valuable oxygen and the ingress of nitrogen into the interior. Furthermore, such static devices show wear.
  • the object of the invention is to minimize the entry of secondary air into the system via the material cooler.
  • the material cooler according to the invention serves to cool a thermally treated material, in particular a bulk material, for example a clinker.
  • the actual thermal treatment process is preferably carried out according to the oxyfuel process, i.e. in an oxygen-rich atmosphere.
  • the material cooler has a support surface for the material to be cooled.
  • the material to be cooled moves through the material cooler on the support surface. This can be done actively by a conveyor element or passively, for example by an inclined arrangement.
  • the material cooler has an application side for introducing hot material onto the support surface and a discharge side for discharging the cooled material.
  • the material cooler has at least a first cooling zone and a second cooling zone. The first cooling zone is adjacent to the discharge side. The cooled material is thus discharged from the first cooling zone.
  • the first cooling zone has a gas supply.
  • ambient air is supplied via the gas supply in order to cool the material so that it can be handled after removal from the material cooler.
  • a gas can also be supplied via the gas supply, for example from a circuit.
  • the gas supplied via the gas supply usually has a disruptive gas component, in particular nitrogen.
  • the second cooling zone is adjacent to the first cooling zone. The second cooling zone is thus arranged along the material flow in front of the first cooling zone.
  • the second cooling zone has a first water supply for water at more than 100 °C.
  • the first water supply is arranged below the support surface or in the material layer arranged on the support surface. This serves to create a water vapor barrier layer in the material layer.
  • the first water supply can be designed for liquid, hot water under pressure or for water vapor.
  • a supply above 100 °C is effective in order to prevent condensation in the material.
  • the materials to be cooled, such as clinker can react with water, so moistening must be avoided. This is necessary, for example in the case of clinker, in order to prevent a subsequent and unwanted reaction when the product is stored.
  • the water is preferably supplied between 100 and 200 °C. The optimum here is to choose between utilizing the thermal energy and avoiding condensation.
  • Direct cooling of the material layer from above is known, for example by spraying water on.
  • the disadvantage is that the gaseous water only forms above the material layer, which is flowed through from below for cooling. Water sprayed from above therefore only has a similar effect to separating or baffle plates. There is also an increased risk of local strong cooling of the material, so that water is absorbed and an unwanted reaction occurs during storage.
  • the key to the invention is the application of the water below or within the material layer, whereby a blocking effect is achieved in the material layer and not only above it.
  • a key feature is the supply of water from below. Application from above is well known, for example by spraying. In all of these cases, however, a layer of gas always remains within the material, which is not taken up by water vapor. By supplying water from below, the material layer is flowed through, thus creating an efficient gas barrier in this area, even within the material.
  • the type of first water supply from below the support surface or in the material layer arranged on the support surface means that a water vapor barrier layer is created within the material layer during operation. Furthermore, the first water supply must be suitable for carrying water vapor or water under pressure and at more than 100 °C. With water vapor, the volume flowing through is significantly larger, with liquid water the pressure is significantly higher. In addition, condensation in the first water supply must be prevented so that no liquid water at less than 100 °C is pumped into the material layer.
  • the advantage of using steam is that water can be removed from an exhaust gas stream in a particularly simple manner through condensation. This makes it easier to separate carbon dioxide for use and storage, and thus to achieve climate neutrality overall.
  • a water vapor barrier layer is also created above the material layer, so that a separation can also take place here, which can be further supported, for example, by separating sheets and the like, as is known from the prior art.
  • What is essential to the invention is that, in addition to this known water vapor barrier layer above the material layer, a water vapor barrier layer in the material layer is automatically generated by the device, and thus an unwanted supply of false air through the material layer can be reliably prevented.
  • the material cooler has a third cooling zone.
  • the third cooling zone is adjacent to the second cooling zone.
  • the third cooling zone is designed for operation with enriched oxygen with a proportion of more than 50 vol. %, preferably more than 90 vol. %, oxygen, i.e. for the so-called oxyfuel process.
  • the material cooler is equipped for such operation, as is familiar to the person skilled in the art.
  • this concerns the selection of materials, which must be resistant to an oxygen-rich atmosphere, as is familiar to the person skilled in the art.
  • it also concerns sealing against the environment, as is familiar to the person skilled in the art, in order to prevent false air and thus the unwanted penetration of nitrogen.
  • the device must therefore be designed, within the framework of technical considerations, to be operated with such an atmosphere.
  • the oxygen-enriched atmosphere can also only be provided in a device adjacent to the material cooler and thus the second cooling zone, for example a furnace head.
  • the sealing takes place directly on the application side of the material cooler.
  • the second zone extends over at least 2%, preferably at least 3%, of the total length of the material cooler.
  • the second zone extends over at most 50%, preferably at most 35%, further preferably at most 20%, further preferably at most 10%, of the total length of the material cooler.
  • the material cooler has a third cooling zone.
  • the third cooling zone is adjacent to the second cooling zone.
  • the third cooling zone is designed for operation with a mixture of carbon dioxide and oxygen formed, with the sum of oxygen and carbon dioxide being more than 80 vol.%. This also corresponds to the oxyfuel process, with carbon dioxide (mostly from the exhaust gas) being recycled. And so the gas flow is increased in order to replace the nitrogen missing in pure oxygen and thus make the carrying capacity of the gas flow comparable to conventional processes.
  • the ratio of oxygen to carbon dioxide can therefore be selected to be 1:5, analogous to the oxygen content in the air, taking other gas components into account. This means that the material cooler is equipped for such operation, as is familiar to the expert.
  • the material cooler has a fourth cooling zone.
  • the fourth cooling zone is adjacent to the second cooling zone.
  • the fourth cooling zone has a carbon dioxide supply.
  • the carbon dioxide can be supplied to a calciner, for example, via a carbon dioxide outlet and a tertiary air line.
  • the carbon dioxide outlet can be connected to the carbon dioxide supply, i.e. the carbon dioxide can be recirculated.
  • the carbon dioxide therefore does not have to be pure carbon dioxide, but can contain other substances, particularly in the case of recirculated carbon dioxide.
  • the aim is to achieve a double barrier layer, firstly made of water vapor and secondly of (recirculated) carbon dioxide.
  • the device is accordingly designed to be able to handle these atmospheres or to be stable in these atmospheres.
  • the material cooler has a fifth cooling zone.
  • the fifth cooling zone is adjacent to the fourth cooling zone.
  • the fifth cooling zone has a second water supply for water with more than 100 °C.
  • the second water supply is arranged below the support surface or in the material layer arranged on the support surface to create a water vapor barrier layer in the material layer.
  • the second water supply can be designed for liquid water under pressure or for water vapor.
  • a supply above 100 °C is effective in order to prevent condensation in the material. This is necessary, for example in the case of clinker, in order to prevent a subsequent and unwanted reaction when the product is stored.
  • the water is preferably supplied between 200 and 400 °C. Since there is another cooling zone, water at a significantly higher temperature can be used here. The above also applies here.
  • the second water vapor barrier layer enables secondary air and tertiary air in particular to be kept comparatively clean.
  • the device is designed, thanks to its spatial features, to form and support these different zones and thus different atmospheres.
  • the material cooler has a seventh cooling zone.
  • the seventh cooling zone is adjacent to the fourth cooling zone.
  • the seventh cooling zone is designed for operation with enriched oxygen with a proportion of more than 50 vol.%, preferably more than 90 vol.%, oxygen.
  • This means that the material cooler is equipped for such operation, as is familiar to the person skilled in the art. For example, this concerns the selection of materials, which must be resistant to an oxygen-rich atmosphere, as is familiar to the person skilled in the art. In addition, it also concerns sealing against the environment, as is familiar to the person skilled in the art, in order to prevent false air and thus the unwanted penetration of nitrogen.
  • the device must therefore be designed, within the framework of professional considerations, to be operated with such an atmosphere.
  • the material cooler has a sixth cooling zone.
  • the sixth cooling zone is adjacent to the fifth cooling zone.
  • the sixth cooling zone is designed for operation with enriched oxygen with a proportion of more than 50 vol.%, preferably more than 90 vol.%, oxygen.
  • This means that the material cooler is equipped for such an operation, as is familiar to the person skilled in the art. For example, this concerns the selection of materials, which must be resistant to an oxygen-rich atmosphere, as is familiar to the person skilled in the art. In addition, it also concerns sealing against the environment, in order to prevent false air and thus the unwanted ingress of nitrogen. The device must therefore be designed, within the framework of professional considerations, to be operated in such an atmosphere.
  • the third cooling zone has a gas outlet.
  • the gas outlet is connected to the carbon dioxide supply and/or a calciner, in particular via a tertiary air line.
  • a first mechanical gas separation device is arranged between the first cooling zone and the second cooling zone.
  • the first mechanical gas separation device is preferably at a sufficient distance from the material on the support surface in order to prevent wear. Additional mechanical gas separation devices can also be arranged analogously between further cooling zones.
  • the invention relates to a method for operating a material cooler according to the invention.
  • the application atmosphere differs from the discharge atmosphere.
  • the discharge atmosphere is preferably ambient air, or is formed from ambient air and preferably differs from the ambient air only in terms of moisture and possibly dust.
  • the application atmosphere preferably has a reduced nitrogen content compared to the discharge atmosphere.
  • the application atmosphere and the discharge atmosphere are separated by a water vapor barrier layer in the material to be cooled in the second cooling zone.
  • the application atmosphere has a higher oxygen content and a lower nitrogen content than the discharge atmosphere.
  • the second cooling zone is non-condensing, i.e. at a temperature level of over 100 °C at normal pressure or in accordance with the vapor pressure curve at other pressures.
  • the water remains as water vapor in the gas phase and does not condense on the material. This reliably prevents moistening and thus setting during storage.
  • FIG. 1 A first example is shown in Fig. 1. It is, for example, a plant for producing clinker from limestone.
  • the plant has a preheater 10, a calciner 20, a rotary kiln 30 and a material cooler 40 according to the invention, whereby the material flow from the preheater 10 is led via the calciner 20 and the rotary kiln 30 into the material cooler 40.
  • the gas flow goes from the rotary kiln 30 via the calciner 20 into the preheater.
  • the rotary kiln 30, calciner 20 and preheater 10 are designed for operation according to the oxyfuel process, i.e. with (technically) pure oxygen, and are operated in this way.
  • the material cooler has a first cooling zone 41, which is supplied with cool ambient air by a gas supply 51 and thus cools the material, the clinker, to near ambient temperature.
  • the material cooler has a second cooling zone 42, into which pressurized water at, for example, 150 °C is supplied from below via a first water supply 52, thereby creating a safe, simple and wear-free separation between the oxygen-rich area and the ambient air.
  • the first example has a direct supply of oxygen into the rotary kiln 30, for example via the kiln head. Since combustion in (technically) pure oxygen is very hot, preheating of the oxygen is not necessary.
  • Fig. 2 shows a second example where the oxygen is not fed directly into the rotary kiln 30, as in the first example, but is first fed via an oxygen supply 53 into a third cooling zone 43 and is preheated there and fed preheated from the third cooling zone 43 into the rotary kiln.
  • the third cooling zone 43 is arranged directly adjacent to the second cooling zone 42.
  • Fig. 3 shows a third example in which a fourth cooling zone 44 is arranged adjacent to the second cooling zone 42. Carbon dioxide is supplied to the fourth cooling zone 44 via a carbon dioxide supply 54. In the third example, as in the first example, the oxygen is also supplied directly to the rotary kiln 30.
  • the fourth example shown in Fig. 4 differs from the third example in that a fifth cooling zone 45 with a second water supply 55 is arranged adjacent to the fourth cooling zone 44. This prevents the carbon dioxide from the fourth cooling zone 44 from entering the rotary kiln 30. Instead, the carbon dioxide is fed directly to the calciner 20 via a tertiary air line in order to generate a larger volume flow there and thus increase the load-bearing capacity for the material in the gas flow.
  • the fifth example shown in Fig. 5 differs from the third example in that a seventh cooling zone 47 is arranged adjacent to the fourth cooling zone 44, with (technically) pure oxygen being supplied to the seventh cooling zone 47 via an oxygen supply 57, where it is preheated and then supplied to the rotary kiln 30. The carbon dioxide from the fourth cooling zone 44 is supplied to the calciner 20 via a tertiary air line, as in the fourth example.
  • Fig. 6 shows a sixth example, which differs from the fourth example in that the material cooler 40 has a sixth cooling zone 46 adjacent to the fifth cooling zone 45, wherein (technically) pure oxygen is supplied to the sixth cooling zone 46 via an oxygen supply 56, preheated there and then supplied to the rotary kiln 30.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Materialkühler (40), wobei der Materialkühler (40) eine Auflagefläche für das zu kühlende Material aufweist, wobei der Materialkühler (40) eine Auftragsseite zur Einbringung von heißem Material auf die Auflagefläche und eine Austragsseite zur Ausbringung des gekühlten Materials aufweist, wobei der Materialkühler (40) wenigstens eine erste Kühlzone (41) und eine zweite Kühlzone (42) aufweist, wobei die erste Kühlzone (41) an die Austragsseite angrenzend ist, wobei die erste Kühlzone (41) eine Gaszubringung (51) aufweist, wobei die zweite Kühlzone (42) an die erste Kühlzone (41) angrenzend ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kühlzone (42) eine erste Wasserzuführung (52) für Wasser mit mehr als 100 °C aufweist, wobei die erste Wasserzuführung (52) unterhalb der Auflagefläche oder in der auf der Auflagefläche angeordnete Materialschicht zur Erzeugung einer Wasserdampfsperrschicht in der Materialschicht angeordnet ist.

Description

Materialkühler
Die Erfindung betrifft einen Materialkühler mit Abdichtung des Sauerstoff-beaufschlagten wärmeren Teilbereichs gegen die Umgebungsluft im kälteren Teilbereich des Materialkühlers.
Anlagen, beispielsweise zur Herstellung von Klinker, werden heutzutage beispielsweise im sogenannten Oxyfuel-Verfahren betrieben, also im Idealfall in reinem Sauerstoff. Dadurch ist das Gas idealisiert am Ende des Prozesses Kohlendioxid (mit Wasserdampf, welcher sehr leicht abgetrennt werden kann und somit die Kohlendioxid-Konzentration am Eintritt einer nachgeschalteten Kohlendioxid-Abtrenneinrichtung nicht senkt. Damit kann das Kohlendioxid in einfacher Weise abgesondert und damit eine Emission vermeiden werden. Insbesondere entfällt dadurch eine aufwändige Trennung insbesondere vom Stickstoff. Somit ist aber jede Nebenluftquelle, also die Möglichkeit des Eindringens von Umgebungsluft in das System möglichst weitestgehend zu vermeiden.
Eine übliche Trennstelle zwischen dem sauerstoffhaltigen Bereich und der Umgebungsluft findet sich zumeist im Materialkühler, wo eine Kühlung wenigstens am Ende mit Umgebungsluft erfolgt.
Aus der DE 10 2006 026 234 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Kühlen von Schüttgut bekannt.
Aus der WO 2022 248 384 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Zementklinker bekannt.
Aus der US 11 621 168 B1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dotierung von Halbleitermatenalien bekannt.
Aus der US 8 850 831 B2 ist ein Verfahren zur Kühlung granulären festen Materials bekannt. Aus der DE 21 58 317 A1 ist eine Brennvorrichtung zum Brennen von Erzkügelchen und dergleichen Körpern bekannt.
Aus der US 5 775 891 A ist ein Rostkühler für Verbrennungsmatenal und ein Verfahren dafür bekannt.
Aus der DE 24 04 086 A1 Ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen von einem körnigen Material bekannt.
Üblicherweise werden zur Vermeidung der ungewünschten Vermischung und somit des Eindringens von Falschluft beispielsweise Trenn- oder Leitbleche in den Materialkühler eingesetzt, um die Gasströme zwischen den verschiedenen Bereichen zu minimieren. Diese Maßnahmen greifen oberhalb des Materialbettes und verringern so eine Vermischung. Diese Maßnahmen haben aber keine Wirkung innerhalb des Materialbettes, wo eine Gasvermischung erfolgen kann. Dieses führt aber dennoch zu einer Vermischung und damit zum einem zum Verlust von wertvollem Sauerstoff sowie zum Eindringen von Stickstoff in den Innenbereich. Des Weiteren weisen derartige statische Einrichtungen Verschleiß auf.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Eintrag von Nebenluft über den Materialkühler in das System zu minimieren.
Gelöst wird diese Aufgabe durch den Materialkühler mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch das Verfahren mit den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
Der erfindungsgemäße Materialkühler dient zur Kühlung eines thermisch behandelten Materials, insbesondere eines Schüttgutes, beispielsweise eines Klinkers. Bevorzugt wird der eigentliche thermische Behandlungsvorgang nach dem Oxyfuelprozess durchgeführt, also in einer sauerstoffreichen Atmosphäre. Der Materialkühler weist eine Auflagefläche für das zu kühlende Material auf. Auf der Auflagefläche wandert das zu kühlende Material durch den Materialkühler. Dieses kann aktiv durch ein Förderorgan oder passiv, beispielweise durch schräge Anordnung, erfolgen. Der Materialkühler weist eine Auftragsseite zur Einbringung von heißem Material auf die Auflagefläche und eine Austragsseite zur Ausbringung des gekühlten Materials auf. Der Materialkühler weist wenigstens eine erste Kühlzone und eine zweite Kühlzone auf. Die erste Kühlzone ist an die Austragsseite angrenzend. Das gekühlte Material wird aus der ersten Kühlzone somit ausgetragen. Die erste Kühlzone weist eine Gaszubringung auf. Über die Gaszubringung wird beispielsweise und bevorzugt Umgebungsluft zugeführt, um das Material zu kühlen, sodass dieses nach der Entnahme aus dem Materialkühler gehandhabt werden kann. Über die Gaszubringung kann auch ein Gas beispielsweise aus einem Kreislauf zugeführt werden. Das über die Gaszubringung zugeführte Gas weist üblicherweise einen störenden Gasanteil, insbesondere Stickstoff auf. Die zweite Kühlzone ist an die erste Kühlzone angrenzend. Somit ist die zweite Kühlzone entlang des Materialstromes vor der ersten Kühlzone angeordnet.
Erfindungsgemäß weist die zweite Kühlzone eine erste Wasserzuführung für Wasser mit mehr als 100 °C auf. Die erste Wasserzuführung ist unterhalb der Auflagefläche oder in der auf der Auflagefläche angeordnete Materialschicht angeordnet. Dieses dient zur Erzeugung einer Wasserdampfsperrschicht in der Materialschicht. Hierbei kann die eine erste Wasserzuführung für flüssiges, heißes Wasser unter Druck oder für Wasserdampf ausgebildet sein. Eine Zuführung oberhalb von 100 °C ist zielführend, um Kondensation im Material zu verhindern. Die zu kühlenden Materialien, wie zum Beispiel Klinker, können mit Wasser reagieren, sodass eine Befeuchtung vermieden werden muss. Dieses ist notwendig, um beispielsweise bei Klinker eine anschließende und ungewollte Reaktion bei der Lagerung des Produkts zu verhindern. Vorzugsweise wird das Wasser zwischen 100 und 200 °C zugeführt. Hier ist das Optimum zwischen Ausnutzung der Wärmeenergie und Vermeidung der Kondensation zu wählen. Bekannt ist eine Direktkühlung der Materialschicht von oben, beispielsweise durch das Aufsprühen von Wasser. Der Nachteil ist jedoch, dass hier das gasförmige Wasser nur oberhalb der Materialschicht entsteht, die zur Kühlung von unten durchströmt wird. Somit hat von oben aufgesprühtes Wasser nur einen ähnlichen Effekt wie Trenn- oder Leitbleche. Zudem besteht das erhöhte Risiko einer lokalen starken Abkühlung des Materials, sodass Wasser aufgenommen wird und somit eine ungewollte Reaktion bei der Lagerung erfolgt. Erfindungswesentlich ist aber nun die Aufbringung des Wassers unterhalb oder innerhalb der Materialschicht, wodurch eine Sperrwirkung eben auch in der Materialschicht und nicht nur oberhalb erreicht wird.
Ein wesentliches Merkmal ist die Zuführung des Wassers von unten. Bekannt sind Aufbringung von oben, beispielsweise auch durch Aufsprühen. In allen diesen Fällen verbleibt aber immer eine Gasschicht innerhalb des Materials, welche nicht durch Wasserdampf eingenommen wird. Durch das Zuführen von unten wird die Materialschicht durchströmt und somit auch in diesem Bereich somit eine effiziente Gasbarriere eben auch innerhalb des Materials geschaffen.
Durch die Art der ersten Wasserzuführung von unterhalb der Auflagefläche oder in der auf der Auflagefläche angeordnete Materialschicht ergibt sich direkt aus den Vorrichtungsmerkmalen, dass beim Betrieb eine Wasserdampfsperrschicht innerhalb der Materialschicht erzeugt wird. Des Weiteren muss die erste Wasserzuführung geeignet sein, Wasserdampf oder unter Druck und bei mehr als 100 °C stehendes Wasser zu führen. Bei Wasserdampf ist das durchströmte Volumen deutlich größer, bei flüssigem Wasser der Druck deutlich höher. Zudem ist eine Kondensation in der ersten Wasserzuführung zu verhindern, damit kein flüssiges Wasser mit weniger als 100 °C in die Materialschicht gefördert wird.
Die im Verfahren entstehende Wirkung ergibt sich somit unmittelbar aus den baulichen Maßnahmen des Materialkühlers.
Vorteil der Verwendung von Wasserdampf ist, dass Wasser aus einem Abgasstrom in besonders einfacher Weise durch Kondensation entfernt werden kann. Damit ist insbesondere eine Kohlendioxid-Abtrennung zur Verwendung und Speicherung und damit zur Erreichung einer Klimaneutralität insgesamt einfacher zu realisieren.
Durch die Einbringung des Wasserdampfs von unten und der Erzeugung einer Erzeugung der Wasserdampfsperrschicht in der Materialschicht entsteht auch eine Wasserdampfsperrschicht über der Materialschicht, sodass auch hier eine Trennung erfolgen kann, welche beispielswiese durch Trennbleche und dergleichen noch weiter unterstützt werden kann, wie dieses aus dem Stand der Technik bekannt ist. Erfindungswesentlich ist eben, dass zusätzlich zu dieser bekannten Wasserdampfsperrschicht über der Materialschicht eine Wasserdampfsperrschicht in der Materialschicht durch die Vorrichtung automatisch erzeugt wird, und so eine ungewollte Falschluftzuführung durch die Materialschicht zuverlässig verhindert werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Materialkühler eine dritte Kühlzone auf. Die dritte Kühlzone ist an die zweite Kühlzone angrenzend. Die dritte Kühlzone ist für den Betrieb mit angereichertem Sauerstoff mit einem Anteil von mehr als 50 Vol.-%, bevorzugt von mehr als 90 Vol.-%, Sauerstoff, also für den sogenannten Oxyfuel-Prozess, ausgelegt. Dieses bedeutet, dass der Materialkühler für einen solchen Betrieb ausgerüstet ist, wie dieses dem Fachmann geläufig ist. Beispielsweise betrifft dieses die Auswahl der Materialien, die für den Fachmann geläufig resistent gegen eine sauerstoffreiche Atmosphäre sein müssen. Zudem betrifft es für den Fachmann ebenfalls geläufig die Abdichtung gegen die Umgebung, um Falschluft und damit das ungewollte Eindringen von Stickstoff zu verhindern. Die Vorrichtung muss also im Rahmen fachläufiger Überlegungen dazu ausgebildet sein, mit einer solchen Atmosphäre betrieben zu werden.
Alternativ dazu kann die Sauerstoff-angereicherte Atmosphäre auch erst in einem dem Materialkühler und damit der zweiten Kühlzone benachbarten Vorrichtung, beispielsweise einem Ofenkopf, gegeben sein. In diesem Fall erfolgt die Abdichtung direkt an der Auftragsseite des Materialkühlers.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich die zweite Zone über wenigstens 2 %, vorzugsweise wenigstens 3 %, der Gesamtlänge des Materialkühlers.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich die zweite Zone über höchstens 50 %, bevorzugt höchstens 35 %, weiter bevorzugt höchstens 20 %, weiter bevorzugt höchstens 10 %, der Gesamtlänge des Materialkühlers.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Materialkühler eine dritte Kühlzone auf. Die dritte Kühlzone ist an die zweite Kühlzone angrenzend. Die dritte Kühlzone ist für den Betrieb mit einem Gemisch aus Kohlendioxid und Sauerstoff ausgebildet, wobei die Summe aus Sauerstoff und Kohlendioxid mehr als 80 Vol.-% beträgt. Auch dieses entspricht dem Oxyfuel-Verfahren, wobei zusätzlich Kohlendioxid (zumeist aus dem Abgas) zurückgeführt wird. Und so der Gasstrom erhöht wird, um den in reinem Sauerstoff fehlenden Stickstoff zu ersetzen und so die Tragfähigkeit des Gasstromes mit herkömmlichen Verfahren vergleichbar einzustellen. Beispielswiese kann daher das Verhältnis von Sauerstoff zu Kohlendioxid entsprechend zu 1 :5 gewählt werden, analog dem Sauerstoffanteil in der Luft unter Berücksichtigung weiterer Gasbestandteile. Dieses bedeutet, dass der Materialkühler für einen solchen Betrieb ausgerüstet ist, wie dieses dem Fachmann geläufig ist. Beispielsweise betrifft dieses die Auswahl der Materialien, die für den Fachmann geläufig resistent gegen eine sauerstoffreiche und/oder kohlendioxidreichen Atmosphäre sein müssen. Zudem betrifft es für den Fachmann ebenfalls geläufig die Abdichtung gegen die Umgebung, um Falschluft und damit das ungewollte Eindringen von Stickstoff zu verhindern. Die Vorrichtung muss also im Rahmen fachläufiger Überlegungen dazu ausgebildet sein, mit einer solchen Atmosphäre betrieben zu werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Materialkühler eine vierte Kühlzone auf. Die vierte Kühlzone ist an die zweite Kühlzone angrenzend. Die vierte Kühlzone weist eine Kohlendioxid-Zufuhr auf. Insbesondere kann das Kohlendioxid über einen Kohlendioxidauslass und eine Tertiärluftleitung beispielsweise einem Calcinator zugeführt werden. Zusätzlich oder alternativ kann der Kohlendioxidauslass mit der Kohlendioxid-Zufuhr verbunden sein, das Kohlendioxid also rezirkuliert werden. Das Kohlendioxid muss daher kein reines Kohlendioxid sein, sondern insbesondere im Falle des rezirkulierten Kohlendioxids kann dieses weitere Stoffe enthalten. Ziel ist es, eine doppelte Sperrschicht zu erreichen, zum einen aus Wasserdampf und zum zweiten aus (rezirkulierten) Kohlendioxid. Entsprechend ist die Vorrichtung dazu ausgebildet, diese Atmosphären führen zu können, beziehungsweise in diesen Atmosphären stabil zu sein.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Materialkühler eine fünfte Kühlzone auf. Die fünfte Kühlzone ist an die vierte Kühlzone angrenzend. Die fünfte Kühlzone weist eine zweite Wasserzuführung für Wasser mit mehr als 100 °C auf. Die zweite Wasserzuführung ist unterhalb der Auflagefläche oder in der auf der Auflagefläche angeordnete Materialschicht zur Erzeugung einer Wasserdampfsperrschicht in der Materialschicht angeordnet. Hierbei kann die zweite Wasserzuführung für flüssiges Wasser unter Druck oder für Wasserdampf ausgebildet sein. Eine Zuführung oberhalb von 100 °C ist zielführend, um Kondensation im Material zu verhindern. Dieses ist notwendig, um beispielsweise bei Klinker eine anschließende und ungewollte Reaktion bei der Lagerung des Produkts zu verhindern. Vorzugsweise wird das Wasser zwischen 200 und 400 °C zugeführt. Da sich eine weitere Kühlzone anschließt, kann hier Wasser mit deutlich höherer Temperatur verwendet werden. Es gilt das zuvor gesagte auch hier. Durch die zweite Wasserdampfsperrschicht können insbesondere Sekundärluft und Tertiärluft vergleichsweise sauber erhalten werden. Auch hier ist die Vorrichtung durch die räumlichen Merkmale eben dazu ausgebildet, diese unterschiedlichen Zonen und damit unterschiedlichen Atmosphären auszubilden und zu unterstützen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Materialkühler eine siebente Kühlzone auf. Die siebente Kühlzone ist an die vierte Kühlzone angrenzend. Die siebente Kühlzone ist für den Betrieb mit angereichertem Sauerstoff mit einem Anteil von mehr als 50 Vol.-%, bevorzugt von mehr als 90 Vol.-%, Sauerstoff ausgelegt. Dieses bedeutet, dass der Materialkühler für einen solchen Betrieb ausgerüstet ist, wie dieses dem Fachmann geläufig ist. Beispielsweise betrifft dieses die Auswahl der Materialien, die für den Fachmann geläufig resistent gegen eine sauerstoffreiche Atmosphäre sein müssen. Zudem betrifft es für den Fachmann ebenfalls geläufig die Abdichtung gegen die Umgebung, um Falschluft und damit das ungewollte Eindringen von Stickstoff zu verhindern. Die Vorrichtung muss also im Rahmen fachläufiger Überlegungen dazu ausgebildet sein, mit einer solchen Atmosphäre betrieben zu werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Materialkühler eine sechste Kühlzone auf. Die sechste Kühlzone ist an die fünfte Kühlzone angrenzend. Die sechste Kühlzone ist für den Betrieb mit angereichertem Sauerstoff mit einem Anteil von mehr als 50 Vol.-%, bevorzugt von mehr als 90 Vol.-%, Sauerstoff ausgelegt. Dieses bedeutet, dass der Materialkühler für einen solchen Betrieb ausgerüstet ist, wie dieses dem Fachmann geläufig ist. Beispielsweise betrifft dieses die Auswahl der Materialien, die für den Fachmann geläufig resistent gegen eine sauerstoffreiche Atmosphäre sein müssen. Zudem betrifft es für den Fachmann ebenfalls geläufig die Abdichtung gegen die Umgebung, um Falschluft und damit das ungewollte Eindringen von Stickstoff zu verhindern. Die Vorrichtung muss also im Rahmen fachläufiger Überlegungen dazu ausgebildet sein, mit einer solchen Atmosphäre betrieben zu werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die dritte Kühlzone einen Gasablass auf. Der Gasablass ist mit der Kohlendioxid-Zufuhr und/oder einem Calcinator insbesondere über eine Tertiärluftleitung verbunden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der ersten Kühlzone und der zweiten Kühlzone eine erste mechanische Gastrenneinrichtung angeordnet. Hierbei weist die erste mechanische Gastrenneinrichtung vorzugsweise einen ausreichenden Abstand zum Material auf der Auflagefläche auf, um Verschleiß zu verhindern. Auch zwischen weiteren Kühlzonen können analog zusätzliche weitere mechanische Gastrenneinrichtungen angeordnet sein.
Selbstverständlich ist es möglich, die erfindungsgemäßen Ausführungsformen mit Trennoder Leitblechen nach dem Stand der Technik zu kombinieren. Hierdurch wird die ungewollte Vermischung natürlich weiter verringert.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Materialkühlers. An der Auftragsseite liegt eine Auftragsatmosphäre und an der Austragsseite liegt eine Austragsatmosphäre an. Die Auftragsatmosphäre unterscheidet sich von der Austragsatmosphäre. Bevorzugt ist die Austragsatmosphäre Umgebungsluft, beziehungsweise wird aus Umgebungsluft gebildet und unterscheidet sich vorzugsweise nur durch Feuchte und gegebenenfalls Staub von der Umgebungsluft, liegt, Die Auftragsatmosphäre weist bevorzugt gegenüber der Austragsatmosphäre einen verringerten Stickstoffanteil auf. Die Auftragsatmosphäre und die Austragsatmosphäre werden durch eine Wasserdampfsperrschicht in dem zu kühlenden Material in der zweiten Kühlzone getrennt. Wasserdampf ist im Gegensatz zu Stickstoff sehr einfach von Kohlendioxid zu trennen, sodass für eine an den Prozess anschließende Sequestration des Kohlendioxids und somit für die Klimaneutralität erforderliche Verhinderung der Abgabe des Kohlendioxids in die Umgebung der technische und energetische Aufwand zur Aufreinigung des Kohlendioxids dramatisch reduziert werden kann. Gleichzeitig wird dadurch eine ungewollte Freisetzung des Kohlendioxids ebenfalls verhindert. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Auftragsatmosphäre einen höheren Sauerstoffanteil und einen niedrigeren Stickstoffanteil als die Austragsatmosphäre auf.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Kühlzone nicht kondensierend, also auf einem Temperaturniveau von über 100 °C bei Normaldruck beziehungsweise entsprechend der Dampfdruckkurve bei anderen Drucken. Dadurch verbleibt das Wasser als Wasserdampf in der Gasphase und kondensiert eben nicht an dem Material aus. Dadurch wird eine Befeuchtung und damit ein Abbinden während der Lagerung zuverlässig vermieden.
Alle zur Vorrichtung beschriebenen Merkmale sind selbstverständlich auch auf das Verfahren in analoger Weise anzuwenden.
Nachfolgend ist der erfindungsgemäße Materialkühler anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Fig. 1 erstes Beispiel
Fig. 2 zweites Beispiel
Fig. 3 drittes Beispiel
Fig. 4 viertes Beispiel
Fig. 5 fünftes Beispiel
Fig. 6 sechstes Beispiel
In Fig. 1 ist ein erstes Beispiel gezeigt. Es handelt sich beispielsweise um eine Anlage zur Herstellung von Klinker aus Kalkstein. Die Anlage weist einen Vorwärmer 10, einen Calcinator 20, einen Drehrohrofen 30 und einen erfindungsgemäßen Materialkühler 40 auf, wobei der Stoffstrom vom Vorwärmer 10 über den Calcinator 20 und den Drehrohrofen 30 in den Materialkühler 40 geführt wird. Der Gasstrom geht vom Drehrohrofen 30 über den Calcinator 20 in den Vorwärmer. Drehrohrofen 30, Calcinator 20 und Vorwärmer 10 sind für den Betrieb nach dem Oxyfuelverfahren, also mit (technisch) reinem Sauerstoff ausgelegt und werden so betrieben. Der Materialkühler weist eine erste Kühlzone 41 auf, welche durch eine Gaszubringung 51 mit kühler Umgebungsluft versorgt wird und so das Material, den benannten Klinker, nahe der Umgebungstemperatur abkühlt. Um somit den sauerstoffreichen Bereich von der Umgebungsluft zu trennen, weist der Materialkühler eine zweite Kühlzone 42 auf, in welche von unten unter Druck stehendes Wasser mit beispielsweise 150 °C über eine erste Wasserzuführung 52 zugeführt wird, wodurch eine sichere, einfache und verschleißfreie Trennung zwischen dem sauerstoffreichen Bereich und der Umgebungsluft geschaffen wird.
Insoweit sind alle im Folgenden diskutierten Beispiele gleich.
Das erste Beispiel weist eine direkte Sauerstoffzufuhr in den Drehrohrofen 30, beispielsweise über den Ofenkopf auf. Da die Verbrennung in (technisch) reinem Sauerstoff sehr heiß ist, kann auf eine Vorwärmung des Sauerstoffs verzichtet werden.
Fig. 2 zeigt ein zweites Beispiel, wo der Sauerstoff nicht direkt in den Drehrohrofen 30 gegeben wird, wie im ersten Beispiel, sondern zunächst über eine Sauerstoffzufuhr 53 in eine dritte Kühlzone 43 geleitet und dort vorgewärmt und vorgewärmt aus der dritten Kühlzone 43 in den Drehrohrofen geführt wird. Die dritte Kühlzone 43 ist direkt angrenzend an die zweite Kühlzone 42 angeordnet.
In Fig. 3 ist ein drittes Beispiel gezeigt, bei der eine vierte Kühlzone 44 angrenzend an die zweite Kühlzone 42 angeordnet ist. Der vierten Kühlzone 44 wird über eine Kohlendioxid-Zufuhr 54 Kohlendioxid zugeführt. Der Sauerstoff wird auch im dritten Beispiel wie im ersten Beispiel direkt dem Drehrohrofen 30 zugeführt.
Das in Fig. 4 gezeigte vierte Beispiel unterscheidet sich vom dritten Beispiel dadurch, dass angrenzend an die vierte Kühlzone 44 eine fünfte Kühlzone 45 mit einer zweiten Wasserzuführung 55 angeordnet ist. Dadurch wird verhindert, dass das Kohlendioxid aus der vierten Kühlzone 44 in den Drehrohrofen 30 gelangt. Vielmehr wird das Kohlendioxid über eine Tertiärluftleitung direkt dem Calcinator 20 zugeführt, um dort einen größeren Volumenstrom zu erzeugen und somit die Tragfähigkeit für das Material im Gasstrom zu erhöhen. Das in Fig. 5 gezeigte fünfte Beispiel unterscheidet sich von dem dritten Beispiel dadurch, dass an die vierte Kühlzone 44 eine siebente Kühlzone 47 angrenzend angeordnet ist, wobei der siebenten Kühlzone 47 über eine Sauerstoffzufuhr 57 (technisch) reiner Sauerstoff zugeführt wird, dieser dort vorgewärmt und dann dem Drehrohrofen 30 zugeführt wird. Das Kohlendioxid aus der vierten Kühlzone 44 wird wie im vierten Beispiel über eine Tertiärluftleitung dem Calcinator 20 zugeführt.
Fig. 6 zeigt ein sechstes Beispiel, welches sich vom vierten Beispiel dadurch unterscheidet, dass der Materialkühler 40 einen an die fünfte Kühlzone 45 angrenzende sechste Kühlzone 46 aufweist, wobei der sechsten Kühlzone 46 über eine Sauerstoffzufuhr 56 (technisch) reiner Sauerstoff zugeführt, dort vorgewärmt und dann dem Drehrohrofen 30 zugeführt wird.
Bezugszeichen
10 Vorwärmer
20 Calcinator
30 Drehrohrofen
40 Materialkühler
41 erste Kühlzone
42 zweite Kühlzone
43 dritte Kühlzone
44 vierte Kühlzone
45 fünfte Kühlzone
46 sechste Kühlzone
47 siebente Kühlzone
51 Gaszubringung
52 erste Wasserzuführung
53 Sauerstoffzufuhr
54 Kohlendioxid-Zufuhr
55 zweite Wasserzuführung
56 Sauerstoffzufuhr
57 Sauerstoffzufuhr

Claims

Patentansprüche
1 . Materialkühler (40), wobei der Materialkühler (40) eine Auflagefläche für das zu kühlende Material aufweist, wobei der Materialkühler (40) eine Auftragsseite zur Einbringung von heißem Material auf die Auflagefläche und eine Austragsseite zur Ausbringung des gekühlten Materials aufweist, wobei der Materialkühler (40) wenigstens eine erste Kühlzone (41 ) und eine zweite Kühlzone (42) aufweist, wobei die erste Kühlzone (41 ) an die Austragsseite angrenzend ist, wobei die erste Kühlzone (41 ) eine Gaszubringung (51 ) aufweist, wobei die zweite Kühlzone (42) an die erste Kühlzone (41 ) angrenzend ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kühlzone (42) eine erste Wasserzuführung (52) für Wasser mit mehr als 100 °C aufweist, wobei die erste Wasserzuführung (52) unterhalb der Auflagefläche oder in der auf der Auflagefläche angeordnete Materialschicht zur Erzeugung einer Wasserdampfsperrschicht in der Materialschicht angeordnet ist.
2. Materialkühler (40) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Materialkühler (40) eine dritte Kühlzone (43) aufweist, wobei die dritte Kühlzone (43) an die zweite Kühlzone (42) angrenzend ist, wobei die dritte Kühlzone (43) für den Betrieb mit angereichertem Sauerstoff mit einem Anteil von mehr als 50 Vol.- %, bevorzugt von mehr als 90 Vol.-%, Sauerstoff ausgelegt ist.
3. Materialkühler (40) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Materialkühler (40) eine dritte Kühlzone (43) aufweist, wobei die dritte Kühlzone
(43) an die zweite Kühlzone (42) angrenzend ist, wobei die dritte Kühlzone (43) für den Betrieb mit einem Gemisch aus Kohlendioxid und Sauerstoff ausgebildet ist, wobei die Summe aus Sauerstoff und Kohlendioxid mehr als 80 Vol.-% beträgt.
4. Materialkühler (40) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Materialkühler (40) eine vierte Kühlzone (44) aufweist, wobei die vierte Kühlzone
(44) an die zweite Kühlzone (42) angrenzend ist, wobei die vierte Kühlzone (44) eine Kohlendioxid-Zufuhr (54) aufweist.
5. Materialkühler (40) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialkühler (40) eine fünfte Kühlzone (45) aufweist, wobei die fünfte Kühlzone (45) an die vierte Kühlzone (44) angrenzend ist, wobei die fünfte Kühlzone (45) eine zweite Wasserzuführung (55) für Wasser mit mehr als 100 °C aufweist, wobei die zweite Wasserzuführung (55) unterhalb der Auflagefläche oder in der auf der Auflagefläche angeordnete Materialschicht zur Erzeugung einer Wasserdampfsperrschicht in der Materialschicht angeordnet ist.
6. Materialkühler (40) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialkühler (40) eine siebente Kühlzone (47) aufweist, wobei die siebente Kühlzone (47) an die vierte Kühlzone (44) angrenzend ist, wobei die siebente Kühlzone (47) für den Betrieb mit angereichertem Sauerstoff mit einem Anteil von mehr als 50 Vol.-%, bevorzugt von mehr als 90 Vol.-%, Sauerstoff ausgelegt ist.
7. Materialkühler (40) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialkühler (40) eine sechste Kühlzone (46) aufweist, wobei die sechste Kühlzone (46) an die fünfte Kühlzone (45) angrenzend ist, wobei die sechste Kühlzone (46) für den Betrieb mit angereichertem Sauerstoff mit einem Anteil von mehr als 50 Vol.-%, bevorzugt von mehr als 90 Vol.-%, Sauerstoff ausgelegt ist.
8. Materialkühler (40) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Kühlzone (43) einen Gasablass aufweist, wobei der Gasablass mit der Kohlendioxid-Zufuhr (54) und/oder einem Calcinator verbunden ist.
9. Materialkühler (40) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Kühlzone (41 ) und der zweiten Kühlzone (42) eine erste mechanische Gastrenneinrichtung angeordnet ist.
10. Verfahren zum Betreiben eines Materialkühlers (40) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei an der Auftragsseite eine Auftragsatmosphäre anliegt und an der Austragsseite eine Austragsatmosphäre anliegt, wobei die Auftragsatmosphäre und die Austragsatmosphäre durch eine Wasserdampfsperrschicht in dem zu kühlenden Material in der zweiten Kühlzone (42) getrennt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftragsatmosphäre einen höheren Sauerstoffanteil und einen niedrigeren Stickstoffanteil als die Austragsatmosphäre aufweist. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kühlzone (42) nicht kondensierend ist, sodass das Wasser als Wasserdampf in der Gasphase verbleibt.
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