WO2025002950A1 - Farboptimierung von aktivierten tonen - Google Patents

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Leo Fit
Christina Priesemann
Christian Brinkmann
Theodor BEISHEIM
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Thyssenkrupp Polysius GmbH
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ThyssenKrupp AG
Thyssenkrupp Polysius GmbH
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    • F27D2019/0006—Monitoring the characteristics (composition, quantities, temperature, pressure) of at least one of the gases of the kiln atmosphere and using it as a controlling value

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for obtaining the optimized coloration of an activated clay obtained during a reduction of an activated clay.
  • Activated clays have become established as additives, particularly in the cement industry.
  • the current method is to dry and calcine the clays, a thermal activation. This requires energy for heating and thermal activation, and if the temperature is too high, it can also cause further changes in the material, which may be undesirable.
  • iron compounds in the clays Due to the firing conditions during thermal activation in an oxidizing atmosphere, naturally occurring iron compounds in the clays are converted, in particular, into hematitic iron oxides. This causes a reddish coloration of the clays activated in this way, which significantly reduces the market acceptance of cements made with it.
  • the iron content, or the content of iron in its strongly coloring trivalent oxidation state (Fe 3+ ) largely determines the color of a calcined clay. The color is an important quality parameter for the possible use of these activated clays as a component of the usually gray cement.
  • Inferior (“lean”) clays in particular can have Fe2O3 contents of an average of 2 to 9 wt.%.
  • the Fe2O3 content can also be up to 15% or higher.
  • These high iron contents can lead to a very intense and usually undesirable red discoloration of the artificial pozzolana produced in this way and the composite cements produced with it during calcination.
  • reducing firing conditions are set in the cooling area of plants for the production of calcined clays, for example, in order to achieve the formation of black magnetite.
  • fossil and CO2-intensive primary fuels such as natural gas, crude oil, lignite or hard coal that burn well are required.
  • So-called secondary fuels in particular require continuous oxidizing firing conditions for effective firing, which in turn requires complex Post-treatment of the trivalent iron species is required to eliminate or reduce the undesirable red coloration in the thermally activated clay.
  • a clinker substitute is known from DE 10 2011 014 498 A1.
  • a process for producing synthetic pozzolans is known from US 2012 / 160 135 A1.
  • the object of the invention is to provide a simple and extremely reliable method for cooling an activated and color-optimized clay.
  • the device according to the invention serves to activate and color optimize a mineral material, in particular clays.
  • the device has an activation and color optimization device.
  • the activation and color optimization device can be designed in two parts or consist of a combined activation and color optimization device.
  • a thermal treatment takes place, which leads to the clay developing the necessary properties, for example, in order to be used as a cement additive.
  • Such activated materials are also sometimes referred to as artificial pozzolans.
  • the activation is known from the prior art and can be carried out using any method known from the prior art.
  • the activation device can thus be designed in any configuration known to the person skilled in the art.
  • the activation and color optimization device or the activation device can be an entrained flow calciner.
  • the same also applies to the color optimization device.
  • the color optimization device can be designed as a fluidized bed reactor.
  • An example of a combined activation and color optimization device is an activation device according to the prior art that is operated under reducing conditions.
  • the color optimization device can be designed as a flow-flow reactor.
  • the device has a tubular reactor behind the color optimization device in the material flow direction.
  • the tubular reactor has a solids inlet, the solids inlet is connected to the color optimization device for transferring the activated and color-optimized material.
  • the tubular reactor also has a gas inlet.
  • the gas inlet is preferably arranged in front of the solids inlet in the gas flow direction.
  • the tubular reactor has a length of 5 m to 50 m, whereby the length refers to the distance between the solids inlet and the end of the tubular reactor and thus, together with the flow velocity, defines the residence time within the tubular reactor.
  • the tubular reactor is connected to a deflection device at the end.
  • the deflection device has a solids outlet and a gas outlet. In the deflection device, the flow dynamics are strongly influenced by the deflection and the carrying capacity of the gas flow for the solid is massively reduced, so that a very rapid separation occurs.
  • the combination of a tubular reactor with a deflection device according to the invention is advantageous over conventional cooling systems, for example a separation cyclone, since much faster cooling rates and renewed separation of the activated material take place.
  • the tubular reactor enables a very narrow residence time distribution, so that all particles of the activated material can be cooled in the same way and at the same speed. Dead volumes and thus significant differences in residence times and thus different cooling rates and thus in turn different product qualities due to different levels of reoxidation are reliably and easily avoided.
  • the deflection device has a deflection of the gas flow of 135° to 225°, preferably of 170° to 190°, particularly preferably of 180°. This strong deflection achieves a sufficiently high deposition of the activated material.
  • the tube reactor is arranged such that the gas flow in the tube reactor is directed downwards. Downwards means along gravity, i.e. towards the earth. In particular, a 180° deflection then takes place in the deflection device, so that the gas flow is directed upwards after the deflection. In this way, the influence of gravity is also used to improve the separation of the activated material from the gas flow.
  • the disadvantage of the high construction is acceptable in this case.
  • the tubular reactor is designed in two parts. A first part of the tubular reactor is arranged horizontally and a second part, adjacent to the deflection device, is arranged vertically, so that the gas flow in the second part of the tubular reactor is directed downwards. This achieves an optimum of separation and construction height.
  • the solids outlet of the deflection device is arranged at the lowest point of the deflection device.
  • a separating cyclone and/or a dust filter is arranged behind the deflection device. This makes it possible to achieve the low solids loading of the gas necessary for discharge into the environment or transfer to other processes.
  • a gas conveying device is arranged in front of the gas inlet. This makes it easier to achieve the high flow rate of 15 to 50 m/s preferred for the tubular reactor.
  • the gas conveying device is a fan which conveys ambient air in sufficient quantities into the gas inlet to achieve the flow rate in the tubular reactor. By using ambient air, a cool starting point for the gas is also easily achieved.
  • the solids outlet is connected to a cooling device.
  • the activated material can leave the deflection device at 300 °C to 500 °C.
  • the cooling device it is then cooled to below 100 °C (or to ambient temperature), so that the product can be easily stored or filled. Since in this temperature range a Since reoxidation is no longer to be feared, the type and speed of cooling is comparatively arbitrary and the expert is familiar with what such a cooling device looks like.
  • the deflection device has a first cross-sectional area at the inlet and a second cross-sectional area in the middle.
  • the second cross-sectional area is 2 to 5 times, preferably 3 to 4 times, as large as the first cross-sectional area.
  • the increase in cross-sectional area reduces the speed, which in turn facilitates the separation of the activated material from the gas stream synergistically with the inertia of the material during deflection.
  • the device has a first solid temperature measuring device behind the solid outlet of the deflection chamber. This also makes it possible to easily check whether the activated material has been safely cooled to below 500 °C.
  • the first solid temperature measuring device is preferably designed as an infrared thermometer.
  • the device has a first solid color measuring device behind the solid outlet.
  • the color optimization in the color optimization device can also be controlled as directly as possible, since the optical detection and thus the color recognition can be disturbed at temperatures that are too high.
  • the color detection is preferably used to be able to regulate the fuel addition and thus, for example, to determine the stoichiometric conditions in the color optimization reactor. This makes it possible, for example, to optimize the color value and minimize fuel consumption.
  • the invention relates to a method for activating and color optimizing a mineral material.
  • the method has the following steps: a) thermal activation of the mineral material, b) color optimization of the activated mineral material under reducing conditions, c) cooling the color-optimized mineral material in a tubular reactor, d) depositing the cooled mineral material in a deflection device, wherein the cooling in the tubular reactor takes place at a rate of 200 K/s to 650 K/s.
  • Steps a) and b) are known to the person skilled in the art in a wide variety of embodiments. These can be carried out in any way known to the person skilled in the art. It is important that at the end of step b) a hot, usually between 700 °C and 1000 °C, activated and color-optimized material is available.
  • the difference between the invention and the prior art lies in the rapid, efficient, reliable and robust cooling according to steps c) and d), which enable an extremely high cooling rate of more than 200 K/s and thus significantly higher cooling rates than, for example, the separation cyclones known in the prior art with up to 100 K/s.
  • the basic mode of operation of a tubular reactor achieves a very narrow residence time distribution, so that the cooling rate is also achieved for the entire product and not just on average, which in turn enables a uniform product.
  • an oxygen-containing gas for example air
  • air is selected for the gas flow in the tubular reactor.
  • ambient air is preferred due to its ease of provision as a cooling gas flow. Due to the high cooling rate, even in the presence of oxygen, no significant reoxidation and thus no further and undesirable discoloration of the activated material. In addition, complex cooling under protective gas is not necessary.
  • the gas velocity in the tubular reactor is set at 15 m/s to 50 m/s. This speed range has proven to be optimally suitable. Together with the length, this results in a residence time of 0.2 s to 2.5 s. Shorter residence times are preferred at higher cooling rates ( ⁇ 650 K/s) and longer residence times at lower cooling rates (> 200 K/s).
  • the speed of the gas phase is reduced to 1.5 to 3.4 m/s in the deflection device. This is achieved by expanding the cross-section. This massive reduction in speed rapidly reduces the carrying capacity of the gas phase and thus leads to a good separation result for the activated material from the gas in the deflection device.
  • the temperature of the mineral material deposited in the deflection device is below 500 °C, for example in a corridor of 300 °C to 500 °C.
  • a high cooling rate can be achieved particularly at high temperatures; excessive cooling (i.e. to a final temperature that is too low) makes it more difficult to achieve very high cooling rates, as required according to the invention, since higher cooling rates are usually easier to achieve at higher temperatures than at low temperatures.
  • this also means that the gas phase also leaves the deflection device at a correspondingly higher temperature, i.e. it is higher quality heat that can be better used elsewhere in a composite than low-calorific heat.
  • the target corridor of 300 °C to 500 °C has proven to be advantageous.
  • a residual deposition of the cooled mineral material from the gas stream leaving the deflection device takes place.
  • the residual deposition can, for example, in a separation cyclone and/or in a dust filter. The aim is to be able to continue using the gas stream without any solid load or to release it into the environment.
  • the material separated in the residual separation is combined with the material separated in step d). It is also possible to process both fractions separately, since the fraction obtained in the residual separation has finer (smaller particles) and can therefore also be sold as a separate product quality. However, combining them simplifies the effort of final cooling, processing, storage and packaging on one product line.
  • the material temperature is recorded at the transition from the tubular reactor to the deflection device or after discharge from the deflection device. This enables active control, for example of the amount of gas supplied to the tubular reactor.
  • the material color is detected after it has been discharged from the deflection device. This makes it possible to specifically control the color optimization device, in particular in order to keep the consumption of reducing agent as low as possible.
  • an exemplary device is shown schematically and not to scale.
  • Clay for example, is fed to an activation device 10 via a material feed 12.
  • the activation device 10 can, for example, have a crushing device, a drying device, a preheater and an entrained flow calciner.
  • Such activation devices 10 are extensively known from the prior art.
  • iron in particular which is often contained in clays, is oxidized to Fe2O3, which has an undesirable reddish color. Therefore, the activated clay is treated in a color optimization device 20 in a reducing atmosphere, whereby the III-valent iron is reduced to other iron compounds, which produces a gray color in the clay and thus a saleable product can be obtained.
  • the activated and color-optimized clay is therefore fed via the solids inlet at 850 °C to the tube reactor 30, which is arranged vertically with the gas flow downwards. Air from the air supply 52 and the gas conveying device 50 are fed to the tube reactor via the gas inlet 36.
  • the gas velocity in the tube reactor 30 is, for example, 35 m/s.
  • the length 32 is, for example, 35 m, resulting in a residence time of 1 s.
  • the gas flow is deflected by 180° in the deflection device 40, i.e. upwards.
  • the load-bearing capacity is reduced dramatically, so that the activated clay, cooled to 450 °C, for example, is separated.
  • the separated clay is fed to the cooling device 70 via the solids outlet 42.
  • the gas stream leaving the deflection device 40 via the gas outlet 44 is fed to a dust filter 60, in which fine activated clay is separated from the gas stream. This separated clay is combined with the clay separated in the deflection device 40 and also fed to the cooling device 70.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aktivierung und Farboptimierung eines mineralischen Materials, wobei die Vorrichtung eine Aktivierungs- und Farboptimierungsvorrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung in Stoffstromrichtung hinter der Farboptimierungsvorrichtung (20) einen Rohrreaktor (30) aufweist, wobei der Rohrreaktor (30) einen Feststoffeinlass (34) aufweist, wobei der Feststoffeinlass (34) mit der Farboptimierungsvorrichtung (20) zur Überführung von des aktivierten und farboptimierten Materials verbunden ist, wobei der Rohrreaktor (30) einen Gaseinlass (36) aufweist, wobei der Rohrreaktor (30) eine Länge (32) von 5 m bis 50 m aufweist, wobei der Rohrreaktor (30) am Ende mit einer Umlenkvorrichtung (40) verbunden ist, wobei die Umlenkvorrichtung (40) einen Feststoffauslass (42) und einen Gasauslass (44) aufweist.

Description

thyssenkrupp Polysius GmbH 1 thyssenkrupp AG
Farboptimierung von aktivierten Tonen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erhalt der bei einer Reduktion eines aktivierten Tones erhaltenen optimierten Färbung eines aktivierten Tones.
Insbesondere im Bereich der Zementindustrie haben sich aktivierte Tone als Zusatzstoff etabliert. Der derzeit übliche Weg ist die Trocknung und Kalzinierung der Tone, eine thermische Aktivierung. Hierbei wird zum einen Energie für die Erwärmung und thermische Aktivierung benötigt, zum anderen kann eine zu hohe Temperatur auch weitere Stoffveränderungen bewirken, die gegebenenfalls unerwünscht sind.
Durch die Brennbedingungen bei der thermischen Aktivierung in oxidierender Atmosphäre wandeln sich in den Tonen natürlich vorliegende Eisenverbindungen insbesondere in hämatitische Eisenoxide um. Dies ruft eine rötliche Färbung der so aktivierten Tone hervor, was die Marktakzeptanz damit hergestellter Zemente signifikant verringert. Der Eisengehalt, beziehungsweise der Gehalt an Eisen in seiner stark färbenden dreiwertigen Oxidationsstufe (Fe3+), bestimmt maßgeblich die Farbe eines kalzinierten Tones. Die Farbe bildet einen wichtigen Qualitätsparameter für eine mögliche Verwendung dieser aktivierten Tone als Bestandteil des üblicherweise grauen Zementes. Insbesondere minderwertigere („magere“) Tone können Fe2O3-Gehalte von durchschnittlich 2 bis 9 Gew.-% aufweisen. In den sogenannten „red clays“ kann der Fe2O3-Gahlt auch bis zu 15% oder höher betragen. Diese hohen Eisengehalte können beim Kalzinieren zu einer sehr intensiven und meist unerwünschten Rotverfärbung des so hergestellten künstlichen Puzzolans und den damit hergestellten Kompositzementen führen. Aus diesem Grunde werden im Abkühlbereich von Anlagen zur Herstellung kalzinierter Tone beispielsweise reduzierende Brennbedingungen eingestellt, um insbesondere eine Bildung von schwarzem Magnetit zu erreichen. Zur Einstellung reduzierender Brennbedingungen wiederum sind gut ausbrennbare fossile und CO2- intensive Primärbrennstoffe wie Erdgas, Erdöl, Braunkohle oder Steinkohle erforderlich. Insbesondere sogenannte Sekundärbrennstoffe erfordern für eine effektive Feuerung durchgehend oxidierende Brennbedingungen, was wiederum eine aufwändige Nachbehandlung der dreiwertigen Eisenspezies erfordert, um die unerwünschte Rotfärbung im thermisch aktivierten Ton zu eliminieren beziehungsweise zu mindern.
Aus der DE 10 2016 104 738 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung von körnigen Feststoffen bekannt.
Aus der DE 10 2008 020 600 B4 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.
Die Aktivierung selber und die Farboptimierung in einer reduzierenden Atmosphäre sind dem Fachmann gut bekannt und in einer Vielzahl an Variationen durchführbar. Ein kritischer Punkt ist jedoch, wie das heiße, aktivierte und farboptimierte Material abgekühlt wird, um die Eigenschaften, insbesondere die Farbe zu erhalten. Neben einer Abkühlung unter reduzierender Atmosphäre oder unter Luftabschluss sind auch schnelle Kühlungen bis 100 K/s in sauerstoffhaltigem Gas, beispielsweise Luft, bekannt. Jedes dieser Verfahren hat Vor- wie auch Nachteile.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches und extrem zuverlässiges Verfahren zur Kühlung eines aktivierten und farboptimierten Tones bereitzustellen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Vorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch das Verfahren mit den in Anspruch 13 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie der Zeichnung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Aktivierung und Farboptimierung eines mineralischen Materials, insbesondere von Tonen. Die Vorrichtung weist eine Aktivierungs- und Farboptimierungsvorrichtung auf. Die Aktivierungs- und Farboptimierungsvorrichtung kann zweiteilig ausgeführt sein oder aus einer kombinierten Aktivierungs- und Farboptimierungsvorrichtung bestehen. In der Aktivierungs- und Farboptimierungsvorrichtung beziehungsweise der Aktivierungsvorrichtung erfolgt eine thermische Behandlung, die dazu führt, dass beispielsweise der Ton die notwendige Eigenschaft entwickelt, um beispielsweise als Zementzuschlagsstoff verwendet zu werden. Derartige aktivierte Materialien werden auch teilweise als künstliche Puzzolane bezeichnet. Die Aktivierung ist aus dem Stand der Technik bekannt und kann nach einem beliebigen aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren durchgeführt werden. Die Aktivierungsvorrichtung kann somit in jeder dem Fachmann bekannten Ausgestaltung ausgeführt sein. Beispielsweise kann die Aktivierungs- und Farboptimierungsvorrichtung oder die Aktivierungsvorrichtung ein Flugstromkalzinator sein. Das gleiche gilt auch für die Farboptimierungsvorrichtung. Auch diese ist dem Fachmann bekannt und kann in jeder beliebigen dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannten Weise ausgeführt sein. Lediglich beispielhaft kann die Farboptimierungsvorrichtung als Wirbelbettreaktor ausgeführt sein. Als Beispiel für eine kombinierte Aktivierungs- und Farboptimierungsvorrichtung sei eine unter reduzierenden Bedingungen betriebene Aktivierungsvorrichtung nach dem Stand der Technik genannt. Weiter beispielhaft kann in einer anderen Ausführungsform die Farboptimierungsvorrichtung als Flustromreaktor ausgeführt sein.
Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung in Stoffstromrichtung hinter der Farboptimierungsvorrichtung einen Rohrreaktor auf. Der Rohrreaktor weist einen Feststoffeinlass auf, der Feststoffeinlass ist mit der Farboptimierungsvorrichtung zur Überführung des aktivierten und farboptimierten Materials verbunden. Der Rohrreaktor weist weiter einen Gaseinlass auf. Der Gaseinlass ist in Gasströmungsrichtung bevorzugt vor dem Feststoffeinlass angeordnet. Der Rohrreaktor eine Länge von 5 m bis 50 m auf, wobei die Länge sich auf die Strecke zwischen dem Feststoffeinlass und dem Ende des Rohrreaktors bezieht und somit zusammen mit der Strömungsgeschwindigkeit die Verweilzeit innerhalb des Rohrreaktors definiert. Der Rohrreaktor ist am Ende mit einer Umlenkvorrichtung verbunden. Die Umlenkvorrichtung weist einen Feststoffauslass und einen Gasauslass auf. In der Umlenkvorrichtung wird durch die Umlenkung die Strömungsdynamik stark beeinflusst und die Tragfähigkeit des Gasstromes für den Feststoff massiv herabgesetzt, sodass es zu einer sehr schnellen Abtrennung kommt.
Die erfindungsgemäße Kombination aus einem Rohrreaktor mit einer Umlenkvorrichtung ist gegenüber herkömmlichen Kühlsystemen, beispielsweise einem Abscheidezyklon vorteilhaft, da sehr viel schnellere Abkühlgeschwindigkeiten und erneute Abtrennung des aktivierten Materials erfolgen. Durch den Rohrreaktor ist eine sehr enge Verweilzeitverteilung möglich, sodass eine für alle Partikel des aktivierten Materials gleichartige und gleichschnelle Abkühlung ermöglicht wird. Totvolumina und dadurch deutliche Unterschiede in Verweilzeiten und somit unterschiedliche Abkühlraten und dadurch wiederum unterschiedliche Produktqualitäten durch unterschiedliche starke Reoxidationen werden zuverlässig und apparativ einfach vermieden. Durch die sehr einfache Bauweise im Vergleich zu dem üblicherweise langen und komplexen Verweilzeitverhalten in einem Abscheidezyklon ist somit erfindungsgemäß eine sehr viel höhere Abkühlrate von über 200 K/s möglich, wodurch die Reoxidation verringert wird aber auch gleichzeitig der Bauraum vergleichsweise klein gehalten werden kann, da bei kürzerer Verweilzeit auch nur ein geringeres Volumen benötigt wird.
Die bei einer Umlenkvorrichtung üblicherweise geringere Abscheideleistung gegenüber beispielsweise einem Abscheidezyklon kann hingenommen werden, da auch das Abgas einen Abscheidezyklons üblicherweise einer weiteren Entstaubung zur vollständigen Entfernung des aktivierten Materials zugeführt werden muss, also dadurch kein oder kein nennenswerter zusätzlicher Aufwand für eine anschließende Aufreinigung des Gases notwendig ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Umlenkvorrichtung eine Umlenkung des Gasstroms von 135° bis 225°, bevorzugt von 170° bis 190°, besonders bevorzugt von 180 °, auf. Durch diese starke Umlenkung wird eine ausreichend hohe Abscheidung des aktivierten Materials erreicht.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Rohrreaktor derart angeordnet, dass der Gasstrom im Rohrreaktor nach unten gerichtet ist. Nach unten bedeutet entlang der Schwerkraft, also auf die Erde zu. Insbesondere erfolgt dann eine 180° Umlenkung in der Umlenkvorrichtung, sodass der Gasstrom nach der Umlenkung nach oben gerichtet ist. Auf diese Weise wird zusätzlich der Einfluss der Schwerkraft genutzt, um die Abscheidung des aktivierten Materials aus dem Gasstrom zu verbessern. Der Nachteil der hohen Bauweise ist dafür akzeptabel.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Rohrreaktor zweiteilig ausgeführt. Ein erster Teil des Rohreaktors ist horizontal angeordnet und ein zweiter, der Umlenkvorrichtung benachbarter zweiter Teil ist senkrecht angeordnet, sodass der Gasstrom im zweiten Teil des Rohrreaktors nach unten gerichtet ist. Hierdurch wird ein Optimum aus Abtrennung und Bauhöhe erzielt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Feststoffauslass der Umlenkvorrichtung an der tiefsten Stelle der Umlenkvorrichtung angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist hinter der Umlenkvorrichtung ein Abscheidezyklon und/oder ein Staubfilter angeordnet. Hierdurch ist es möglich, die für die Abgabe an die Umgebung oder Weitergabe an andere Prozesse notwendige niedrige Beladung des Gases mit Feststoff zu erzielen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vor dem Gaseinlass eine Gasfördervorrichtung angeordnet. Hierdurch lässt sich die für den Rohrreaktor bevorzugte hohe Strömungsgeschwindigkeit von 15 bis 50 m/s einfacher erzielen. Im einfachsten Fall ist die Gasfördervorrichtung ein Ventilator, welcher Umgebungsluft in ausreichender Menge in den Gaseinlass fördert, um die Strömungsgeschwindigkeit im Rohrreaktor zu erzielen. Durch die Verwendung von Umgebungsluft ist auf einfache Weise auch ein kühler Ausgangspunkt für das Gas realisiert.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Feststoffauslass mit einer Kühlvorrichtung verbunden. Beispielswiese kann das aktivierte Material die Umlenkvorrichtung mit 300 °C bis 500 °C verlassen. In der Kühlvorrichtung erfolgt dann die Abkühlung auf unter 100 °C (oder auf Umgebungstemperatur), sodass das Produkt gut gelagert oder abgefüllt werden kann. Da in diesem Temperaturbereich eine Reoxidation nicht mehr zu befürchten ist, ist die Art und Geschwindigkeit der Kühlung hier vergleichsweise beliebig und dem Fachmann ist geläufig, wie eine solche Kühlvorrichtung aussieht.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Umlenkvorrichtung am Eingang eine erste Querschnittsfläche auf und in der Mitte eine zweite Querschnittsfläche auf. Die zweite Querschnittsfläche ist 2 bis 5 mal, bevorzugt 3 bis 4 mal, so groß wie die erste Querschnittsfläche. Durch die Querschnittsflächenvergrößerung wird die Geschwindigkeit herabgesetzt, was wiederum die Abtrennung des aktivierten Materials aus dem Gasstrom synergistisch zur Trägheit des Materials bei der Umlenkung erleichtert.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung eine Gastemperaturmessvorrichtung hinter der Umlenkvorrichtung auf. Durch die Messung der Gastemperatur kann der Kühleffekt in einfacher Weise kontrolliert und die Verfahrensführung, beispielsweise über die Anpassung der Beladung geregelt werden. Da das aktivierte Material bei der Abscheidung eine Temperatur von 500 °C unterschreiten sollte, wäre eine geringere Gastemperatur, beispielsweise höchstens 450 °C eine geeignete Kotrollgröße.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung eine erste Feststofftemperaturmessvorrichtung hinter dem Feststoffauslass der Umlenkkammer auf. Auch hierdurch ist eine einfache Überprüfung möglich, ob das aktivierte Material sicher unter 500 °C abgekühlt wurde. Bevorzugt ist die erste Feststofftemperaturmessvorrichtung als Infrarotthermometer ausgeführt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung eine erste Feststofffarbmessvorrichtung hinter dem Feststoffauslass auf. Neben der ausreichend schnellen Kühlung kann so auch möglichst direkt die Farboptimierung in der Farboptimierungsvorrichtung kontrolliert werden, da bei zu hohen Temperaturen die optische Erfassung und damit die Farberkennung gestört sein kann. Die Erfassung der Farbe wird bevorzugt dazu genutzt, um die Brennstoffzugabe regeln zu können und so beispielsweise die stöchiometrischen Bedingungen im Farboptimierungsreaktor zu regeln. Hierdurch ist beispielsweise eine Optimierung des Farbwertes und eine Minimierung des Brennstoffs möglich.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Aktivierung und Farboptimierung eines mineralischen Materials. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: a) Thermisches Aktivieren des mineralischen Materials, b) Farboptimierung des aktivierten mineralischen Materials unter reduzierenden Bedingungen, c) Abkühlen des farboptimierten mineralischen Materials in einem Rohrreaktor, d) Abscheiden des abgekühlten mineralischen Materials in einer Umlenkvorrichtung, wobei die Abkühlung im Rohrreaktor mit einer Geschwindigkeit von 200 K/s bis 650 K/s erfolgt.
Die Schritte a) und b) sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik in unterschiedlichsten Ausführungsformen bekannt. Diese können nach jeder dem Fachmann bekannten Weise durchgeführt werden. Wesentlich ist, dass am Ende des Schrittes b) ein heißes, meist zwischen 700 °C und 1000 °C, aktiviertes und farboptimiertes Material vorliegt.
Der erfindungsgemäße Unterschied zum Stand der Technik liegt in der raschen, effizienten, zuverlässigen und robusten Kühlung gemäß den Schritten c) und d), die eine extrem hohe Abkühlrate von mehr als 200 K/s ermöglichen und somit deutlich höhere Abkühlraten als beispielsweise die im Stand der Technik bekannten Abscheidezyklone mit bis zu 100 K/s. Durch die prinzipielle Arbeitsweise eines Rohrreaktors wird gleichzeitig eine sehr enge Verweilzeitverteilung erreicht, sodass die Abkühlrate auch für das gesamte Produkt und eben nicht nur im Mittel erreicht wird, was wiederum ein einheitliches Produkt ermöglicht.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird für den Gasstrom im Rohrreaktor ein sauerstoffhaltiges Gas, beispielsweise Luft, gewählt. Die Verwendung von Umgebungsluft ist aufgrund der einfachen Bereitstellung als Kühlgasstrom bevorzugt. Durch die hohe Abkühlrate erfolgt selbst bei der Anwesenheit von Sauerstoff eben keine nennenswerte Reoxidation und damit keine erneute und ungewünschte Verfärbung des aktivierten Materials. Außerdem kann auf eine aufwändige Kühlung unter Schutzgas verzichtet werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Gasgeschwindigkeit im dem Rohrreaktor bei 15 m/s bis 50 m/s eingestellt. Dieser Geschwindigkeitsbereich hat sich als optimal geeignet herausgestellt. Zusammen mit der Länge ergibt sich eine Verweilzeit von 0,2 s bis 2,5 s. Hierbei werden kürze Verweilzeiten bei höheren Abkühlraten (< 650 K/s) und längere Verweilzeiten bei geringeren Abkühlraten (> 200 K/s) bevorzugt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird in der Umlenkvorrichtung die Geschwindigkeit der Gasphase auf 1 ,5 bis 3,4 m/s verringert. Dieses wird durch eine Querschnittserweiterung erreicht. Diese massive Geschwindigkeitserniedrigung senkt die Tragfähigkeit der Gasphase rapide und führt so zu einem guten Abtrennungsergebnis für das aktivierte Material vom Gas in der Umlenkvorrichtung.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung liegt die Temperatur des in der Umlenkvorrichtung abgeschiedenen mineralischen Materials unter 500 °C, beispielsweise in einem Korridor von 300 °C bis 500 °C. Dieses hat zwei vorteilhafte Gründe. Zum einen ist eine hohe Abkühlrate besonders bei hohen Temperaturen zu realisieren, eine zu starke Abkühlung (also auf eine zu niedrige Endtemperatur) erschwert somit die Erreichung sehr hoher Abkühlraten, wie erfindungsgemäß benötigt, da bei höheren Temperaturen üblicherweise höhere Abkühlraten leichter zu realisieren sind als bei niedrigen Temperaturen. Zum anderen bedeutet dieses auch, dass die Gasphase die Umlenkvorrichtung ebenfalls auf einer entsprechend höheren Temperatur verlässt, also eine hochwertigere Wärme ist, welche in einem Verbund an anderer Stelle besser genutzt werden kann als eine niederkalorische Wärme. Aus diesen beiden Gründen hat sich der Zielkorridor von 300 °C bis 500 °C als vorteilhaft herausgestellt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt nach dem Abscheiden in Schritt d) eine Restabscheidung des abgekühlten mineralischen Materials aus dem die Umlenkvorrichtung verlassenden Gasstrom. Die Restabscheidung kann beispielsweise in einem Abscheidezyklon und/oder in einem Staubfilter erfolgen. Ziel ist es, den Gasstrom ohne Feststofffracht weiter benutzen oder an die Umwelt abgeben zu können.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das in der Restabscheidung abgeschiedene Material mit dem in Schritt d) abgeschiedenem Material vereint. Man kann zwar auch beide Fraktionen getrennt weiter verarbeiten, da die in der Restabscheidung gewonnene Fraktion feiner (kleinere Partikel) aufweist und daher auch als getrennte Produktqualität verkauft werden kann. Eine Vereinigung vereinfacht aber den Aufwand der Endkühlung, Verarbeitung, Lagerung und Verpackung auf eine Produktlinie.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Materialtemperatur am Übergang vom Rohrreaktor zur Umlenkvorrichtung oder nach der Ausbringung aus der Umlenkvorrichtung erfasst. Hierdurch ist eine aktive Regelung, beispielsweise der zugeführten Gasmenge im Rohrreaktor möglich.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Materialfarbe nach der Ausbringung aus der Umlenkvorrichtung erfasst. Hierdurch ist insbesondere eine gezielte Steuerung der Farboptimierungsvorrichtung möglich, insbesondere um dort den Verbrauch an Reduktionsmittel so gering wie möglich zu halten.
Nachfolgend ist die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Fig. 1 Vorrichtung
In Fig. 1 ist eine beispielhafte Vorrichtung schematisch und nicht maßstabgerecht dargestellt. Über eine Materialzufuhr 12 wird beispielsweise Ton einer Aktivierungsvorrichtung 10 zugeführt. Die Aktivierungsvorrichtung 10 kann beispielsweise eine Zerkleinerungsvorrichtung, eine Trocknungsvorrichtung, einen Vorwärmer und einen Flugstromcalcinator aufweisen. Derartige Aktivierungsvorrichtungen 10 sind umfänglich aus dem Stand der Technik bekannt. Bei der thermischen Aktivierung wird insbesondere Eisen, welcher oft in Tonen enthalten ist zu Fe2Ü3 aufoxidiert, welches eine ungewünschte rötliche Färbung aufweist. Daher wird der aktivierte Ton in einer Farboptimierungsvorrichtung 20 in einer reduzierenden Atmosphäre behandelt, wobei das lll-wertige Eisen zu andere Eisenverbindungen reduziert wird, welches im Ton eine graue Farbe erzeugt und somit ein verkaufsfähiges Produkt erhalten werden kann. Diese Reduktion erfolgt beispielsweise bei 850 °C. Der aktivierte und farboptimierte Ton wird also über den Feststoffeinlass bei 850 °C dem Rohrreaktor 30 zugeführt, welcher senkrecht mit Gasströmung nach unten angeordnet ist. Über den Gaseinlass 36 wird Luft aus der Luftzufuhr 52 und die Gasfördervorrichtung 50 dem Rohrreaktor zugeführt. Die Gasgeschwindigkeit beträgt im Rohrreaktor 30 beispielsweise 35 m/s. Die Länge 32 beträgt beispielsweise 35 m, sodass sich eine Verweilzeit von 1 s ergibt. Der Gasstrom wird in der Umlenkvomchtung 40 um 180° umgelenkt, also nach oben. Dabei verringert sich die Tragkraft dramatisch, sodass der aktivierte Ton, abgekühlt auf beispielsweise 450 °C, abgeschieden wird. Dieses ergibt eine Abkühlrate von 400 K/s. Der abgeschiedene Ton wird über den Feststoffauslass 42 der Kühlvorrichtung 70 zugeführt. Der die Umlenkvomchtung 40 über den Gasauslass 44 verlassende Gasstrom wird einem Staubfilter 60 zugeführt, in welchem feiner aktivierter Ton aus dem Gasstrom abgeschieden wird. Dieser abgeschiedene Ton wird mit dem in der Umlenkvomchtung 40 abgeschiedenen Ton vereint und ebenfalls der Kühlvorrichtung 70 zugeführt.
Bezugszeichen
10 Aktivierungsvorrichtung
12 Materialzufuhr
20 Farboptimierungsvorrichtung
30 Rohrreaktor
32 Länge
34 Feststoffeinlass
36 Gaseinlass
40 Umlenkvomchtung
42 Feststoffauslass
44 Gasauslass
50 Gasfördervorrichtung
52 Luftzufuhr 60 Staubfilter
70 Kühlvorrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Aktivierung und Farboptimierung eines mineralischen Materials, wobei die Vorrichtung eine Aktivierungs- und Farboptimierungsvorrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung in Stoffstromrichtung hinter der Farboptimierungsvorrichtung (20) einen Rohrreaktor (30) aufweist, wobei der Rohrreaktor (30) einen Feststoffeinlass (34) aufweist, wobei der Feststoffeinlass (34) mit der Farboptimierungsvorrichtung (20) zur Überführung von des aktivierten und farboptimierten Materials verbunden ist, wobei der Rohrreaktor (30) einen Gaseinlass (36) aufweist, wobei der Rohrreaktor (30) eine Länge (32) von 5 m bis 50 m aufweist, wobei der Rohrreaktor (30) am Ende mit einer Umlenkvorrichtung (40) verbunden ist, wobei die Umlenkvorrichtung (40) einen Feststoffauslass (42) und einen Gasauslass (44) aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierungsund Farboptimierungsvorrichtung eine getrennte Aktivierungsvorrichtung (10) und eine getrennte Farboptimierungsvorrichtung (20) aufweist.
3. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkvorrichtung (40) eine Umlenkung des Gasstroms von 135° bis 225°, bevorzugt von 170° bis 190°, aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrreaktor (30) derart angeordnet ist, dass der Gasstrom im Rohrreaktor (30) nach unten gerichtet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoffauslass (42) der Umlenkvorrichtung (40) an der tiefsten Stelle der Umlenkvorrichtung (40) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass hinter der Umlenkvorrichtung (40) ein Abscheidezyklon und/oder ein Staubfilter (60) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Gaseinlass (36) eine Gasfördervorrichtung (50) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoffauslass (42) mit einer Kühlvorrichtung (70) verbunden ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkvorrichtung (40) am Eingang eine erste Querschnittsfläche aufweist, wobei die Umlenkvorrichtung (40) in der Mitte eine zweite Querschnittsfläche aufweist, wobei die zweite Querschnittsfläche 2 bis 5 mal, bevorzugt 3 bis 4 mal, so groß ist wie die erste Querschnittsfläche.
10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Gastemperaturmessvorrichtung hinter der Umlenkvorrichtung (40) aufweist.
11 .Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine erste Feststofftemperaturmessvorrichtung hinter dem Feststoffauslass (42) aufweist.
12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine erste Feststofffarbmessvorrichtung hinter dem Feststoffauslass (42) aufweist.
13. Verfahren zur Aktivierung und Farboptimierung eines mineralischen Materials, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Thermisches Aktivieren des mineralischen Materials, b) Farboptimierung des aktivierten mineralischen Materials unter reduzierenden Bedingungen, c) Abkühlen des farboptimierten mineralischen Materials in einem Rohrreaktor (30), d) Abscheiden des abgekühlten mineralischen Materials in einer Umlenkvorrichtung (40), wobei die Abkühlung im Rohrreaktor (30) mit einer Geschwindigkeit von 200 K/s bis 650 K/s erfolgt.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasgeschwindigkeit im dem Rohrreaktor (30) bei 15 m/s bis 50 m/s eingestellt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des in der Umlenkvorrichtung (40) abgeschiedenen mineralischen Materials unter 500 °C liegt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Abscheiden in Schritt d) eine Restabscheidung des abgekühlten mineralischen Materials aus dem die Umlenkvorrichtung (40) verlassenden Gasstrom erfolgt.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Restabscheidung abgeschiedene Material mit dem in Schritt d) abgeschiedenem Material vereint wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialtemperatur am Übergang vom Rohrreaktor (30) zur Umlenkvorrichtung (40) oder nach der Ausbringung aus der Umlenkvorrichtung (40) erfasst wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialfarbe nach der Ausbringung aus der Umlenkvorrichtung (40) erfasst wird.
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