Die Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zur Wärmebehandlung von mineralischem Material mit einem Flugstromreaktor.

Es ist bekannt, dass in der Zement- und Mineralindustrie sehr große Wärmemengen für die Wärmebehandlung des mineralischen Gutes benötigt werden. Ein Teil der Wärmebehandlung erfolgt dabei oftmals in einem Flugstromreaktor, in dem das zu behandelnde mineralische Gut von einem heißen Gasstrom mitgerissen wird, wobei es während der Verweilzeit im Flugstromreaktor zu einem Wärmeaustausch zwischen dem Gas und dem mineralischen Gut kommt, sodass das mineralische Gut vorgewärmt, getrocknet, kalziniert und/oder dehydroxilisiert wird. Der erforderliche Heißgasstrom wird beispielsweise durch die Abgase eines an den Flugstromreaktor angeschlossenen Ofens und/oder durch Verbrennung von Brennstoff im Flugstromreaktor bereitgestellt. Aus der DE 10 2012 022 179 A1 und der DE 10 2010 008 785 B4 sind außerdem zusätzliche Brennkammern bekannt, die an den Flugstromreaktor angeschlossen sind und zur Verbrennung von meist minderwertigen Brennstoffen (Sekundär- bzw. Ersatzbrennstoffe) dienen.

Flugstromreaktoren werden beispielsweise zur Herstellung von Klinkerersatzstoffen, beispielsweise kalzinierte Tone, oder zur Gewinnung von Metallen oder Metalloxiden aus Erz enthaltenen Materialien eingesetzt. Bei der Aktivierung von Tonen in einem Flugstromreaktor entstehen Abgase mit einem CO2-Anteil, der bekannter Weise umweltschädlich ist.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anlage und ein Verfahren zur Wärmebehandlung von mineralischem Material mit einem Flugstromreaktor anzugeben, der eine Reduzierung des CO2-Anteils und der Schadstoffe, wie Stickoxide, in dem Abgas ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Eine Anlage zur Wärmebehandlung von mineralischem Material umfasst nach einem ersten Aspekt einen Reaktor mit zumindest einem Gaseinlass zum Einlassen von Abgasen, wobei der Reaktor einen Aktivierungsbereich zum Aktivieren des mineralischen Materials und einen Abgasauslass zum Auslassen von Abgasen aus dem Reaktor aufweist. Der Abgasauslass ist mit dem zumindest einen Gaseinlass derart verbunden, dass zumindest ein Teil des Abgases dem Reaktor zugeführt wird.

Eine Rückführung zumindest eines Teils des Abgases in den Reaktor bewirkt eine Anreicherung des Abgases des Reaktors mit CO2, sodass das Abgas einen hohen CO2- Gehalt von vorzugsweise mindestens 75 Vol% aufweist. Ein solch hoher CO2-Gehalt ist vorteilhaft für eine anschließende Behandlung des Abgases beispielsweise zur Abspaltung oder Speicherung von CO2.

Der Reaktor ist ein als mehrstufiger Zyklonenwärmetauscher ausgebildeter Flugstromreaktor und weist einen Vorwärmbereich zum Vorwärmen des Materials, einen Aktivierungsbereich zum Aktivieren des mineralischen Materials und optional einen Kühlbereich zum Kühlen des Materials auf. Der Abgasauslass ist vorzugsweise in dem Vorwärmbereich angeordnet, wobei der Abgasauslass mit dem Aktivierungsbereich und/oder dem Kühlbereich des Flugstromreaktors derart verbunden ist, dass zumindest ein Teil des Abgases dem Aktivierungsbereich und/oder einem Kühlbereich zugeführt wird. Der Aktivierungsbereich, der Kühlbereich und/ oder der Vorwärmbereich weisen vorzugsweise jeweils zumindest einen Gaseinlass auf, der insbesondere mit dem Abgasauslass zur Leitung des Abgases in den Gaseinlass verbunden ist. Der Aktivierungsbereich, der Kühlbereich und der Vorwärmbereich sind beispielsweise auf dem gleichen Höhenniveau, insbesondere nebeneinander angeordnet. Es ist ebenfalls denkbar, dass der Aktivierungsbereich, der Kühlbereich und/ oder der Vorwärmbereich auf unterschiedlichen Höhenniveaus angeordnet sind. Vorzugsweis ist der Vorwärmbereich oberhalb des Aktivierungsbereichs und der Aktivierungsbereich oberhalb des Kühlbereichs angeordnet. Der Aktivierungsbereich des Flugstromreaktors weist beispielsweise zumindest teilweise eine Wirbelschicht auf. Der Aktivierungsbereich weist gemäß einer weiteren Ausführungsform zumindest eine Brennkammer und/oder einen Heißgaserzeuger auf und der Abgasauslass ist mit der Brennkammer und/ oder dem Heißgaserzeuger derart verbunden, dass zumindest ein Teil des Abgases der Brennkammer und/ oder dem Heißgaserzeuger zugeführt wird.

Der Aktivierungsbereich des Flugstromreaktors weist beispielweise eine Heizeinrichtung, insbesondere einen Heißgaserzeuger zur Erzeugung eines Heißgases auf. Die Heizeinrichtung ist vorzugsweise zusätzlich zu der Brennkammer und/ oder dem Brennstoffeinlass angeordnet. Insbesondere ist die Heizeinrichtung derart mit der Steigleitung des Aktivierungsbereichs verbunden, dass die in der Heizeinrichtung erzeugten Heißgase unterhalb der in der Brennkammer erzeugten Heißgase in die Steigleitung eingeleitet werden. Vorzugsweise weist die Heizeinrichtung einen Gaseinlass zum Einlassen von rückgeführtem Abgas auf, der vorzugsweise mit der Rückführungsleitung verbunden ist.

Nach einer Erkenntnis der Erfinder ist eine Behandlung des Abgases zur Speicherung oder Weiterbehandlung des CCh-Anteils in dem Abgas besonders einfach möglich, wenn der CCh-Anteil des Abgases, das die Anlage, insbesondere den Flugstromreaktor, verlässt, besonders hoch, insbesondere etwa 70 bis 95 Vol%, vorzugsweise mindestens 75 Vol%, beträgt. Ein solcher Anteil an CO2 in dem Abgas ermöglicht beispielsweise eine einfache Verflüssigung, Abspaltung oder Sequestrierung von CO2. Außerdem kann das abgeführte Abgas beispielsweise zur Sodaherstellung, Zuckerherstellung oder zur Herstellung von gefälltem Kalziumcarbonat verwendet werden.

Die Anlage zur Wärmebehandlung von Materialien umfasst optional eine Zerkleinerungseinrichtung, wie eine Mühle oder einen Brecher und/oder eine Trocknungseinrichtung zur Behandlung des Materials vor dem Einlass in den Reaktor.

Der Reaktor, insbesondere der Flugstromreaktor oder der Wirbelschichtreaktor, dient insbesondere der Erhitzung, vorzugsweise der Aktivierung des Materials, wobei eine Aktivierung beispielsweise eine Kalzinierung, Entsäuerung, Dehydroxilisierung und/oder Decarbonisierung des Materials umfasst. Ein Flugstromreaktor umfasst beispielsweise einen mehrstufigen Zyklonwärmetauscher mit in Strömungsrichtung des Materials einem Vorwärmbereich, einem Aktivierungsbereich und optional einem Kühlbereich. Dabei durchströmt beispielsweise ein Kühlgas den Kühlbereich und Heißgase den Aktivierungsbereich und den Vorwärmbereich der verschiedenen Zyklone (bezogen auf die Schwerkraftrichtung) von unten nach oben, während das thermisch zu behandelnde Material die Zyklone in Gegenstromrichtung von oben nach unten durchläuft. Dabei wird vorzugsweise in jedem der Zyklone das Material aus dem Gasstrom separiert und über einen Auslass in eine Gasströmung eingebracht, die anschließend dem darunterliegenden Zyklon zugeführt wird. In den untenliegenden Zyklonen des Kühlbereichs kühlt die beispielsweise über einen Verdichter zugeführte Gasströmung das Material, wobei das Gas vorgewärmt wird. Alternativ kann in den untenliegenden Zyklon des Kühlbereichs das Material durch wenigstens einen Ventilator im Saugzugverfahren gekühlt werden. Das vorgewärmte Gas durchströmt anschließend das Steigrohr des Aktivierungsbereichs, in der die eigentliche thermische Behandlung des aus dem Vorwärmbereich zugeführten Materials erfolgt. Dabei wird der Gasströmung in dem Aktivierungsbereich zusätzlich über eine Brennkammer oder einen Brenner ein Heißgas zugeführt, um die für die Behandlung erforderliche thermische Energie bereitzustellen. Es ist ebenfalls denkbar, dass dem Steigrohr, insbesondere dem Aktivierungsbereich, ausschließlich oder zusätzlich zu der Brennkammer oder Brennen ein Brennstoff zugeführt wird. Das den Aktivierungsbereich verlassende Gas wird anschließend in dem Vorwärmbereich zur Vorwärmung des Materials genutzt.

Beispielsweise umfasst der Vorwärmbereich eine Mehrzahl von Zyklonen, insbesondere ein bis fünf Zyklone, die vorzugsweise nacheinander von dem Material durchströmt werden, wobei das Material vorgewärmt wird. Der sich an dem Vorwärmbereich anschließende Aktivierungsbereich des Flugstromreaktors umfasst beispielsweise ein bis drei, vorzugsweise einen Zyklon und/oder ein Steigrohr und zumindest eine Brennkammer und/oder einen Brennstoffeinlass und/oder eine Heizeinrichtung, wie einen Heißgaserzeuger.

Der Aktivierungsbereich weist vorzugsweise ein Steigrohr auf, das sich im Wesentlichen in vertikaler Richtung erstreckt, optional ein oder mehrere Brennstoffeinlässe aufweist, und/ oder mit der Brennkammer und/ oder der Heizeinrichtung derart verbunden ist, dass in der Brennkammer und/ oder der Heizeinrichtung erzeugte Heißgase in das Steigrohr eingelassen werden. Beispielsweise weist der Aktivierungsbereich zwei oder mehr Brennkammern und/ oder Heizeinrichtungen auf, die mit dem Steigrohr verbunden sind. Insbesondere weist der Aktivierungsbereich eine Heizeinrichtung und eine Brennkammer auf, die beispielsweise derart mit der Steigleitung verbunden sind, dass die jeweils in der Heizeinrichtung oder der Brennkammer erzeugten Heißgase an unterschiedlichen Positionen, insbesondere höhenversetzt, in das Steigrohr eingeleitet werden. Die Heizeinrichtung ist beispielsweise unterhalb der Brennkammer angeordnet. Das in dem Vorwärmbereich vorgewärmte Material wird vorzugsweise in das Steigrohr des Aktivierungsbereichs eingeführt und darin im Gleichstrom erhitzt. In Strömungsrichtung des Feststoff-Gasgemisches schließt sich an das Steigrohr zumindest ein Zyklon an, der zur Feststoffabscheidung dient.

Der sich an den Aktivierungsbereich optional anschließende Kühlbereich des Flugstromreaktors umfasst vorzugsweise eine Mehrzahl von Zyklonen, insbesondere zwei bis vier Zyklone. Der Kühlbereich umfasst beispielsweise einen Fließbettkühler, einen Wirbelschichtkühler und/ oder einen Plattenkühler.

Der Vorwärmbereich des Flugstromreaktors weist vorzugsweise einen Materialeinlass zum Einlassen von zu behandelndem Material in den Flugstromreaktor auf. Der Vorwärmbereich weist vorzugsweise einen Abgasauslass zum Auslassen von Abgas des Flugstromreaktors aus dem Flugstromreaktor auf. Das ausgelassene Abgas wird in eine Abgasleitung abgeführt. Bei dem Abgas handelt es sich vorzugsweise um Abgas aus dem Vorwärmbereich, dem Aktivierungsbereich und/ oder dem Kühlbereich. Der Kühlbereich weist vorzugsweise einen Gaseinlass, beispielsweise Kühlgaseinlass auf, der insbesondere am unteren Endbereich des Kühlbereichs angeordnet ist, sowie insbesondere einen Bereich für den Materialeinlass und einen Bereich für den Materialauslass.

Die Brennkammer dient vorzugsweise der Erzeugung von Heißgasen, durch die Verbrennung von Öl, Kohle oder Gas oder Sekundärbrennstoffen, wie Altreifen oder Hausmüll, und weist vorzugsweise einen Brennstoffeinlass zum Einlassen von Brennstoff in die Brennkammer auf. Die Heizeinrichtung dient vorzugsweise der Erzeugung von Heißgasen, wobei das Heißgas vorzugsweise elektrisch oder mittels Verbrennung von Öl, Kohle oder Gas erzeugt wird. Bei der Heizeinrichtung kann es sich auch um einen Wärmetauscher zur Erhitzung eines Gasstroms handeln, wobei der Wärmetauscher elektrisch oder mittels einer Brennkammer betrieben wird.

Zumindest ein Teil des aus dem Vorwärmbereich abgeführten Abgases wird dem Flugstromreaktor, insbesondere der Brennkammer, dem Aktivierungsbereich und/ oder dem Kühlbereich wieder zugeführt. Der Teil des Abgases, der der Brennkammer, dem Aktivierungsbereich und/oder einem Kühlbereich zugeführt wird, wird auch als rückgeführter Abgasstrom bezeichnet. Vorzugsweise weist die Brennkammer, der Aktivierungsbereich und/ oder der Kühlbereich jeweils zumindest einen Gaseinlass zum Einlassen des rückgeführten Abgases auf, wobei der Gaseinlass über eine Leitung mit dem Abgasauslass der Vorwärmzone verbunden ist. Die Leitung zur Zuführung des rückgeführten Abgases in die Brennammer, den Aktivierungsbereich und/ oder den Kühlbereich verläuft vorzugsweise zumindest teilweise oder vollständig außerhalb des Flugstromreaktors.

Eine Rückführung zumindest eines Teils des Abgases in den Flugstromreaktor bewirkt eine Anreicherung des Abgases des Flugstromreaktors mit CO2, sodass das Abgas einen hohen CO2-Gehalt von vorzugsweise mindestens 75 Vol% aufweist. Ein solch hoher CO2- Gehalt ist vorteilhaft für eine anschließende Behandlung des Abgases beispielsweise zur Abspaltung oder Speicherung von CO2.

Der Reaktor beispielsweise ein Wirbelschichtreaktor und weist einen Aktivierungsbereich zum Aktivieren des mineralischen Materials und optional einen Kühlbereich zum Kühlen des Materials auf. Der Abgasauslass ist mit dem Aktivierungsbereich und/oder dem Kühlbereich des Wirbelschichtreaktors derart verbunden, dass zumindest ein Teil des Abgases dem Aktivierungsbereich und/oder einem Kühlbereich zugeführt wird. Der Wirbelschichtreaktor weist vorzugsweise einen Vorwärmbereich auf, der dem Aktivierungsbereich vorgeschaltet ist. Der Vorwärmbereich des Wirbelschichtreaktors entspricht beispielsweise dem mit Bezug auf den Flugstromreaktor beschriebenen Vorwärmbereich. Der Abgasauslass ist vorzugsweise in dem Aktivierungsbereich oder dem Vorwärmbereich angeordnet.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Anlage eine Gasanalyseeinrichtung zur Ermittlung des CO2-Gehalts, des Sauerstoffgehalts und/ oder der Temperatur des Abgases auf, wobei der Abgasauslass mit der Gasanalyseeinrichtung zur Zuführung des Abgases verbunden ist.

Die Anlage weist gemäß einer weiteren Ausführungsform eine Gasweiche auf, die der Gasanalyseeinrichtung nachgeschaltet und derart ausgebildet ist, dass sie das Abgas in einen rückgeführten Abgasstrom und einen abgeführten Abgasstrom teilt, wobei der Anteil der Abgasströme an dem Abgas einstellbar ist. Die Gasweiche ist vorzugsweise in Gasströmungsrichtung des Abgases hinter der Gasanalyseeinrichtung angeordnet. Vorzugsweise schließt sich an die Gasweiche eine Rückführungsleitung an, die zur Leitung des rückgeführten Abgases angeordnet und insbesondere mit der Brennkammer, dem Aktivierungsbereich und/ oder dem Kühlbereich zur Zuführung des rückgeführten Abgasstroms verbunden ist. Der abgeführte Abgasstrom wird vorzugsweise aus der Anlage ausgelassen und nicht wieder in den Reaktor geführt. Insbesondere wird der abgeführte Gasstrom einer Abgasbehandlungseinrichtung, wie beispielsweise einer Einrichtung zur Verflüssigung, Abspaltung oder Sequestrierung von CO2 oder einem weiteren Prozess, beispielsweise zur Sodaherstellung, Zuckerherstellung oder Herstellung von gefälltem Kalziumcarbonat zugeführt. Insbesondere ist der Anteil der Abgasströme an dem Abgas stufenlos, vorzugsweise zwischen 0% und 100%, einstellbar. Eine Aufteilung des Abgases in zumindest zwei Abgasströme bietet den Vorteil einer gezielten Rückführung eines bestimmten Anteils des Abgases in den Reaktor.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Anlage eine Steuerungs-/ Regelungseinrichtung auf, die derart ausgebildet ist, dass sie die Anteile der mittels der Gasweiche geteilten Abgasströme in Abhängigkeit des ermittelten CO2-Gehalts, Sauerstoffgehalts und/ oder der ermittelten Temperatur des aus dem Vorwärmbereich abgeführten Abgases steuert/ regelt. Die Steuerungs-/ Regelungseinrichtung ist beispielsweise in der Gasweiche angebracht oder mit der Gasweiche verbunden. Die Steuerungs-ZRegelungseinrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie die mittels der Gasanalyseeinrichtung ermittelten Messwerte mit einem vorabbestimmten Grenzwert oder Wertebereich vergleicht und bei einer Abweichung des mittels der Gasanalyseeinrichtung ermittelten Messwertes von dem Grenzwert oder dem Wertebereich, die Anteile der mittels der Gasweiche geteilten Abgasströme, vorzugsweise die Menge an rückgeführtem Abgas erhöht oder verringert. Die Gasanalyseeinrichtung ist vorzugsweise zur Übermittlung der ermittelten Messwerte mit der Steuerungs-ZRegelungseinrichtung verbunden.

Beispielsweise ist die Gasanalyseeinrichtung zur Ermittlung der CO2-Konzentration in dem Abgas ausgebildet und mit der Steuerung-ZRegelungseinrichtung zur Übermittlung der ermittelten CO2-Konzentration verbunden. Die Steuerungs-ZRegelungseinrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie die mittels der Gasanalyseeinrichtung ermittelte CO2-Konzentration mit einem vorabbestimmten CO2-Konzentrationsgrenzwert oder CO2-Konzentrationsbereich vergleicht und bei einer Abweichung des mittels der Gasanalyseeinrichtung ermittelten CO2-Konzentration von dem CO2- Konzentrationsgrenzwert oder CO2-Konzentrationsbereich, die Menge an rückgeführtem Abgas nicht verändert, erhöht oder verringert.

Beispielsweise beträgt der CO2-Konzentrationsgrenzwert 60 - 90Vol%, insbesondere 70 bis 80Vol%, vorzugsweise 75Vol% an CO2 in dem Abgas. Die Steuerung- ZRegelungseinrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie bei einem Unterschreiten des CO2-Konzentrationsgrenzwerts, die Menge an rückgeführtem Abgas erhöht, sodass das rückgeführte Abgas vorzugsweise 90 - 100% des Abgases beträgt. Die Steuerung-ZRegelungseinrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie bei einem Überschreiten oder Erreichen des CO2-Konzentrationsgrenzwerts, die Menge an rückgeführtem Abgas verringert, sodass das rückgeführte Abgas vorzugsweise 0 - 90% des Abgases beträgt. Vorzugsweise beträgt der Anteil an rückgeführtem Abgas 50-70%, wenn die ermittelte CO2-Konzentration geringer als 80-90Vol%, insbesondere 75Vol% ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Anlage eine Quelle für ein sauerstoffreiches Gas auf, wobei diese zur Zuführung des sauerstoffreichen Gases mit dem Aktivierungsbereich, der Brennkammer, und/ oder einem Kühlbereich des Reaktors verbunden ist. Bei dem sauerstoffreichen Gas handelt es sich vorzugsweise um ein Gas mit einem Sauerstoffanteil von etwa 25 bis 100Vol%, insbesondere 60 bis 80Vol%, vorzugsweise 79Vol%. Bei der Quelle handelt es sich beispielsweise um einen Speicher und/ oder Sauerstoffleitungen. Beispielsweise weist die Rückführungsleitung einen Einlass für sauerstoffhaltiges Gas auf. Die Zuführung von sauerstoffreichem Gas bietet den Vorteil einer schadstoffarmen Verbrennung. Beispielsweise wird der Anteil an CO2 in dem Abgas erhöht, um eine effiziente Anreicherung zu ermöglichen.

Gemäß einerweiteren Ausführungsform ist die Steuerungs-/ Regelungseinrichtung derart ausgebildet, dass sie die Menge an sauerstoffreichem Gas, das dem Reaktor zugeführt wird, in Abhängigkeit des ermittelten CO2-Gehalts, Sauerstoffgehalts und/ oder der ermittelten Temperatur des aus dem Vorwärmbereich abgeführten Abgases steuert/ regelt.

Die Steuerungs-ZRegelungseinrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie die mittels der Gasanalyseeinrichtung ermittelten Messwerte mit einem vorabbestimmten Grenzwert oder Wertebereich vergleicht und bei einer Abweichung des mittels der Gasanalyseeinrichtung ermittelten Messwertes von dem Grenzwert oder dem Wertebereich, die Menge an sauerstoffreichem Gas zu dem Reaktor erhöht oder verringert.

Beispielsweise ist die Gasanalyseeinrichtung zur Ermittlung des Sauerstoffgehalts in dem Abgas ausgebildet und mit der Steuerung-ZRegelungseinrichtung zur Übermittlung des ermittelten Sauerstoffgehalts verbunden. Die Steuerungs-ZRegelungseinrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie den mittels der Gasanalyseeinrichtung ermittelte Sauerstoffgehalt mit einem vorabbestimmten Sauerstoffgrenzwert oder Sauerstoffgehaltbereich vergleicht und bei einer Abweichung, die Menge an sauerstoffreichem Gas zu dem Reaktor, erhöht oder verringert. Beispielsweise wird die Menge an Sauerstoff zu dem Reaktor erhöht, wenn der Messwert den vorabbestimmten Grenzwert unterschreitet. Beispielsweise ist die Gasanalyseeinrichtung zur Ermittlung der Temperatur in dem Abgas ausgebildet und mit der Steuerung-ZRegelungseinrichtung zur Übermittlung der ermittelten Temperatur verbunden. Die Steuerungs-ZRegelungseinrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie die mittels der Gasanalyseeinrichtung ermittelte Temperatur mit einem vorabbestimmten Temperaturgrenzwert oder Temperaturbereich vergleicht und bei einer Abweichung, die Menge an sauerstoffreichem Gas zu dem Reaktor, erhöht oder verringert. Beispielsweise wird die Menge an Brennstoff zu dem Reaktor erhöht, wenn der Temperaturmesswert den vorabbestimmten Grenzwert unterschreitet.

Beispielsweise ist der Aktivierungsbereich des Flugstromreaktors zumindest teilweise als Wirbelschichtreaktor ausgebildet. Vorzugsweise ist der Aktivierungsbereich vollständig als Wirbelschichtreaktor ausgebildet. Insbesondere weist der Flugstromreaktor keinen Kühlbereich auf, sodass der Aktivierungsbereich insbesondere einen Materialauslass zum Auslassen von Material aus dem Flugstromreaktor aufweist. Vorzugsweise weist die Anlage einen zu dem Flugstromreaktor separaten Kühler auf, der beispielsweise als Flugstromkühler, Wirbelschichtkühler, Trommelkühler, Plattenkühler, Schneckenkühler oder eine Kombination daraus ausgebildet ist.

Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Wärmebehandlung von mineralischem Material mit einem Reaktor, wobei das Material in einem Aktivierungsbereich des Reaktors aktiviert und optional in einem Kühlbereich des Reaktors gekühlt wird, wobei das Abgas des Reaktors aus diesem abgeführt wird. Zumindest ein Teil des aus dem Reaktor abgeführten Abgases wird dem Reaktor wieder zugeführt.

Die mit Bezug auf die Anlage zur Wärmebehandlung von mineralischem Material beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungen treffen in verfahrensgemäßer Entsprechung ebenfalls auf das Verfahren zu Wärmebehandlung zu.

Der Reaktor ist ein als mehrstufiger Zyklonenwärmetauscher ausgebildeter Flugstromreaktor und das Material wird in einem Vorwärmbereich des Flugstromreaktors vorgewärmt, in einem Aktivierungsbereich des Flugstromreaktors aktiviert und optional in einem Kühlbereich des Flugstromreaktors gekühlt. Das Abgas des Flugstromreaktors wird aus dem Vorwärmbereich abgeführt und zumindest ein Teil des aus dem Vorwärmbereich abgeführten Abgases wird dem Aktivierungsbereich und/oder dem Kühlbereich des Flugstromreaktors zugeführt.

Der Aktivierungsbereich weist gemäß einer Ausführungsform zumindest eine Brennkammer und/ oder einen Heißgaserzeuger auf, wobei zumindest ein Teil des aus dem Vorwärmbereich abgeführten Abgases der Brennkammer und/ oder dem Heißgaserzeuger zugeführt wird.

Der Reaktor ist beispielsweise ein Wirbelschichtreaktor und das Material wird in einem Aktivierungsbereich des Wirbelschichtreaktors aktiviert und optional in einem Kühlbereich des Wirbelschichtreaktors gekühlt, wobei das Abgas des Wirbelschichtreaktors aus dem Wirbelschichtreaktor abgeführt wird und wobei zumindest ein Teil des abgeführten Abgases dem Aktivierungsbereich und/oder dem Kühlbereich des Wirbelschichtreaktors zugeführt wird.

Gemäß einer Ausführungsform wird der CO2-Gehalt, der Sauerstoffgehalt und/ oder die Temperatur des aus dem Vorwärmbereich abgeführten Abgases ermittelt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird im Anschluss an die Ermittlung des CO2- Gehalts, Sauerstoffgehalts und/ oder der Temperatur das Abgas in einen rückgeführten Abgasstrom und einen abgeführten Abgasstrom aufgeteilt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die Anteile des rückgeführten Abgasstroms und des abgeführten Abgasstroms an dem Abgas in Abhängigkeit des ermittelten CO2-Gehalts, Sauerstoffgehalts und/ oder der ermittelten Temperatur des aus dem Vorwärmbereich abgeführten Abgases eingestellt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird dem Aktivierungsbereich, der mindestens einen Brennkammer und/oder dem Heißgaserzeuger und/ oder einem Kühlbereich des Reaktors ein sauerstoffreiches Gas zugeführt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Menge an sauerstoffreichem Gas, das dem Reaktor zugeführt wird, in Abhängigkeit des ermittelten CO2-Gehalts, Sauerstoffgehalts und/ oder der ermittelten Temperatur des aus dem Vorwärmbereich abgeführten Abgases gesteuert/ geregelt.

Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung ist nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anlage zur Wärmebehandlung mit einem Flugstromreaktor gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Anlage zur Wärmebehandlung mit einem Flugstromreaktor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Fig. 1 zeigt eine Anlage 10 zur Wärmebehandlung von mineralischem Material. Bei dem Material handelt es sich beispielsweise um mineralische Materialien, Kalkstein, Dolomit, Magnesit, Tone oder um Erz enthaltende Materialien. Die Anlage und das entsprechende Verfahren zur Wärmebehandlung dienen vorzugsweise der Herstellung eines Klinkerersatzstoffes oder der Gewinnung von Metallen oder Metalloxiden. Das zu behandelnde Material ist vorzugsweise zerkleinert, insbesondere mittels einer Mahlanlage gemahlen.

Die Figuren 1 und 2 zeigen beispielhaft einen als Flugstromreaktor ausgebildeten Reaktor 12. Es ist ebenfalls denkbar, den Reaktor als Wirbelschichtreaktor auszubilden, wobei die nachfolgende Beschreibung ebenfalls auf einen als Wirbelschichtreaktor ausgebildeten Reaktor im Wesentlichen zutrifft, sodass lediglich der Flugstromreaktor 12 oder nur der Aktivierungsbereich 16 des Flugstromreaktors durch einen Wirbelschichtreaktor ersetzt wird. Die Anlage 10 umfasst einen Flugstromreaktor 12, der in Fig. 1 schematisch als Zylinder dargestellt ist, wobei Material am oberen Ende in den Flugstromreaktor 12 eingeführt und an seinem unteren Ende aus dem Flugstromreaktor 12 ausgelassen wird. Der Flugstromreaktor 12 wird im Gegenstrom zu dem Material mit einem Heißgas durchströmt. In Strömungsrichtung des Materials weist der Flugstromreaktor 12 vorzugsweise einen Vorwärmbereich 14 zum Vorwärmen des Materials und einen Aktivierungsbereich 16 zur Aktivierung des Materials auf. Optional weist der Flugstromreaktor 12 zusätzlich einen Kühlbereich 18 auf. In dem Vorwärmbereich 14 wird das Material vorzugsweise auf eine Temperatur von 300°C bis 800°C vorgewärmt. In dem Aktivierungsbereich 16 wird das vorgewärmte Material vorzugsweise auf eine Temperatur von 500°C bis 1100°C erhitzt, wobei insbesondere eine Dekarbonisierung, Dehydroxilierung, Kalzinierung und/ oder Entsäuerung des Materials erfolgt. In dem Kühlbereich wird das Material vorzugsweise auf eine Temperatur von 200°C bis 50°C abgekühlt.

Der Flugstromreaktor 12 ist in Fig. 1 der Einfachheit halber lediglich schematisch dargestellt. Vorzugsweise umfasst der Flugstromreaktor 12 eine Mehrzahl von, insbesondere vertikal zueinander oder nebeneinander angeordneten, Zyklonen, insbesondere Zyklonstufen. Die Zyklone dienen der Abscheidung von Feststoffen aus einem Gasstrom und sind miteinander über Gasleitungen verbunden. Beispielsweise umfasst der Vorwärmbereich 14 eine Mehrzahl von Zyklonen, insbesondere 1 bis 5 Zyklone, die vorzugsweise nacheinander von dem Material durchströmt werden, wobei das Material vorgewärmt wird. Der Aktivierungsbereich 16 des Flugstromreaktors 12 umfasst beispielsweise 1 bis 3, vorzugsweise 1 Zyklon und/oder ein Steigrohr und zumindest eine Brennkammer 20 und/oder eine Heizeinrichtung 22, wie beispielsweise einen Heißgaserzeuger.

Die Brennkammer 20 weist vorzugsweise einen Brennstoffeinlass zum Einlassen von Brennstoff 50 in die Brennkammer 20 auf. Bei dem Brennstoff 50 kann es sich beispielsweise um Sekundärbrennstoffe, wie Altreifen oder Hausmüll handeln. Die Heizeinrichtung 22 ist beispielsweise ein Heißgaserzeuger, wobei das Heißgas vorzugsweise elektrisch oder mittels Verbrennung von Öl, Kohle oder Gas oder Sekundärbrennstoffen, wie Altreifen oder Hausmüll, erzeugt wird. Bei der Heizeinrichtung kann es sich auch um einen Wärmetauscher zur Erhitzung eines Gasstroms handeln, wobei der Wärmetauscher elektrisch oder mittels einer Brennkammer betrieben wird. Vorzugsweise wird der Strom eines elektrisch betriebenen Wärmetauschers bis zu 40 bis 100%, vorzugsweise 60 bis 80% aus regenerativen Energiequellen gewonnen.

Der Aktivierungsbereich 16 weist vorzugsweise ein Steigrohr auf, dass sich im Wesentlichen in Vertikaler Richtung erstreckt. Die Brennkammer 20 und/ oder die Heizeinrichtung 22 ist vorzugsweise mit dem Steigrohr derart verbunden, dass in der Brennkammer 20 und/ oder der Heizeinrichtung 22 erzeugte Heißgas in das Steigrohr eingelassen wird. Es ist ebenfalls denkbar, dass zwei oder mehr Brennkammern 20 und/ oder Heizeinrichtungen 22 vorgesehen sind, die mit dem Steigrohr verbunden sind. Beispielsweise weist der Aktivierungsbereich 16 eine Heizeinrichtung 22 und eine Brennkammer 20 auf, die beispielsweise derart mit der Steigleitung verbunden sind, dass die jeweils in der Heizeinrichtung 22 oder der Brennkammer 20 erzeugten Heißgase an unterschiedlichen Positionen, insbesondere höhenversetzt, in das Steigrohr eingeleitet werden. Das in dem Vorwärmbereich 14 vorgewärmte Material wird vorzugsweise in das Steigrohr des Aktivierungsbereichs 16 eingeführt und darin im Gleichstrom erhitzt. In Strömungsrichtung des Feststoff-Gasgemisches schließt sich an das Steigrohr zumindest ein Zyklon an, der zur Feststoffabscheidung dient. Das erhitze Material wird anschließend vorzugsweise dem Kühlbereich 18 zugeführt.

Der Kühlbereich 18 des Flugstromreaktors 12 umfasst vorzugsweise eine Mehrzahl von Zyklonen, insbesondere 1 bis4, vorzugsweise 2 bis 3 Zyklone. Der Kühlbereich 18 weist vorzugsweise einen Kühlgaseinlass 24 auf, der insbesondere am unteren Endbereich des Kühlbereichs angeordnet ist.

Der Vorwärmbereich 14 des Flugstromreaktors 12 weist vorzugsweise einen Materialeinlass 26 zum Einlassen von zu behandelndem Material in den Flugstromreaktor 12 auf. Des Weiteren weist der Vorwärmbereich 14 vorzugsweise einen Abgasauslass 28 zum Auslassen von Abgas 30 aus dem Flugstromreaktor 12 auf. Bei dem Abgas 30 handelt es sich vorzugsweise um Abgas aus dem Vorwärmbereich 14, dem Aktivierungsbereich 16 und/ oder dem Kühlbereich 18. Die Anlage 10 umfasst eine Gasanalyseeinrichtung 32, die vorzugsweise derart ausgebildet ist, dass sie den Sauerstoffgehalt, den CO2-Gehalt und/ oder die Temperatur des Abgases 30 ermittelt. Der Abgasauslass 28 ist vorzugsweise über Leitungen mit der Gasanalyseeinrichtung 32 verbunden.

In Strömungsrichtung des Abgases 30 schließt sich an die Gasanalyseeinrichtung 32 vorzugsweise eine Gasweiche 34 an, die derart ausgebildet ist, dass sie das Abgas 30 in mindestens zwei Abgasströme 36, 38 teilt, wobei ein Teil des Abgases 30 das rückgeführte Abgas 36 und ein Teil des Abgases 30 das abgeführte Abgas 38 ausbildet.

Der rückgeführte Abgasstrom 36 des Abgases 30 wird vorzugsweise in den Kühlbereich 18 des Flugstromreaktors 12, die Brennkammer 20, die Heizeinrichtung 22 und oder den Aktivierungsbereich 16 des Flugstromreaktors 12 geleitet.

Die Brennkammer 20, die Heizeinrichtung 22, der Kühlbereich 18 und/ oder der Aktivierungsbereich 16 des Flugstromreaktors 12, weisen jeweils einen Gaseinlass 29 zum Einlassen von rückgeführtem Abgas 36 auf.

Der Gaseinlass 29 ist vorzugsweise in dem Kühlbereich 18 oder in dem unteren Ende des Aktivierungsbereichs 16 angeordnet. Optional ist ein Gaseinlass 29 in dem oberen Bereich des Aktivierungsbereichs 16 angeordnet, beispielsweise zusätzlich zu dem Gaseinlass 29 in dem Kühlbereich 18 und/ oder dem unteren Bereich des Aktivierungsbereichs 16. Der Abgasauslass 28, insbesondere die Gasweiche 34, ist mit den jeweiligen Gaseinlässen 29 zur Rückführung des Abgases 36 in den Flugstromreaktor 12 verbunden.

Die Menge des rückgeführten Abgases 36 ist vorzugsweise mittels der Gasweiche 34 einstellbar. Beispielsweise weist die Anlage 10, insbesondere die Gasweiche 34, eine Steuerungs-/ Regelungseinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, die Menge des rückgeführten Abgases 36 in Abhängigkeit des mittels der Gasanalyseeinrichtung 32 ermittelten zumindest einem Messwert zu steuern/ regeln. Die Gasanalyseeinrichtung 32 ist vorzugsweise zur Übermittlung der ermittelten Messwerte mit der Steuerungs- /Regelungseinrichtung der Gasweiche 34 verbunden. Die Gasweiche 34, insbesondere die Steuerungs-ZRegelungseinrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie die mittels der Gasanalyseeinrichtung 32 ermittelten Messwerte mit einem vorabbestimmten Grenzwert oder Wertebereich vergleicht und bei einer Abweichung des mittels der Gasanalyseeinrichtung 32 ermittelten Messwertes von dem Grenzwert oder dem Wertebereich, die Menge an rückgeführtem Abgas 36 erhöht oder verringert.

Beispielsweise ist die Gasanalyseeinrichtung 32 zur Ermittlung der CO2-Konzentration in dem Abgas 30 ausgebildet und mit der Gasweiche 34, insbesondere der Steuerung- /Regelungseinrichtung zur Übermittlung der ermittelten CO2-Konzentration verbunden. Die Gasweiche 34, insbesondere die Steuerungs-ZRegelungseinrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie die mittels der Gasanalyseeinrichtung 32 ermittelte CO2-Konzentration mit einem vorabbestimmten CO2-Konzentrationsgrenzwert oder CO2-Konzentrationsbereich vergleicht und bei einer Abweichung des mittels der Gasanalyseeinrichtung 32 ermittelten CO2-Konzentration von dem CO2- Konzentrationsgrenzwert oder CO2-Konzentrationsbereich, die Menge an rückgeführtem Abgas 36 erhöht oder verringert.

Beispielsweise beträgt der CO2-Konzentrationsgrenzwert 60 - 90Vol%, insbesondere 70 bis 80Vol%, vorzugsweise 75Vol% an CO2 in dem Abgas 30. Die Gasweiche 34 ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie bei einem Unterschreiten des CO2- Konzentrationsgrenzwerts, die Menge an rückgeführtem Abgas 36 erhöht, sodass das rückgeführte Abgas 36 vorzugsweise 60 - 100% des Abgases 30 beträgt und in den Kühlbereich 18 in den Gaseinlass 29 eingeleitet wird. Die Gasweiche 34 ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie bei einem Überschreiten oder Erreichen des CO2- Konzentrationsgrenzwerts, die Menge an rückgeführtem Abgas 36 verringert, sodass das rückgeführte Abgas 36 vorzugsweise 0 - 55% des Abgases 30 beträgt und in den Kühlbereich 18 durch den Gaseinlass 29 des Flugstromreaktors 12 geleitet wird.

Das abgeführte Abgas 38 wird vorzugsweise aus der Anlage 10 abgeführt. Die Anlage 10 weist optional eine Abgasbehandlungseinrichtung 40 auf. Bei der Abgasbehandlungseinrichtung 40 handelt es sich beispielsweise um eine Einrichtung zur Verflüssigung, Abspaltung oder Sequestrierung von CO2. Optional umfasst die Anlage 10 einen Speicher 42 zu Speicherung von in der Abgasbehandlungseinrichtung 40 abgespaltenem CO2. Es ist ebenfalls denkbar, das abgeführte Abgas 38 und/ oder das in der Abgasbehandlungseinrichtung 40 behandelte Abgas einem weiteren Prozess, beispielsweise zur Sodaherstellung, Zuckerherstellung oder zur Herstellung von gefälltem Kalziumcarbonat zuzuführen.

Die Anlage 10 weist vorzugsweise zumindest eine oder eine Mehrzahl von Einlässen zum Einlassen von sauerstoffreichem Gas 44 auf. Bei dem sauerstoffreichen Gas handelt es sich vorzugsweise um ein Gas mit einem Sauerstoffanteil von 25 - 100Vol%. Beispielsweise weist der Aktivierungsbereich 16, die Brennkammer 20, der Kühlbereich 18 und/ oder die Heizeinrichtung 22 jeweils zumindest einen Einlass zum Einlassen von sauerstoffreichem Gas 44 in jeweils den Aktivierungsbereich 16, die Brennkammer 20, der Kühlbereich 18 und/ oder die Heizeinrichtung 22 auf. Die Leitung zur Rückführung des rügeführten Abgases 36 weist optional einen Einlass zum Einlassen von sauerstoffreichem Gas 44 auf.

Die Menge an sauerstoffreichem Gas 44, das dem Flugstromreaktor 12 zugeführt wird, ist vorzugsweise in Abhängigkeit der mittels der Gasanalyseeinrichtung 32 ermittelten Messwerte einstellbar.

Beispielsweise ist die Gasanalyseeinrichtung 32 zur Ermittlung der CO2-Konzentration, der Temperatur und/ oder des Sauerstoffgehalts in dem Abgas 30 ausgebildet und mit der Steuerung-ZRegelungseinrichtung zur Übermittlung der ermittelten Messwerte verbunden. Die Steuerungs-ZRegelungseinrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie die mittels der Gasanalyseeinrichtung 32 ermittelte CO2-Konzentration, Temperatur und/ oder Sauerstoffgehalt mit einem vorabbestimmten Grenzwert oder Grenzbereich vergleicht und bei einer Abweichung die Menge an sauerstoffreichem Gas 44, das dem Flugstromreaktor 12 zugeführt wird erhöht oder verringert.

Optional weist die Anlage 10 eine Zerkleinerungseinrichtung 46 und eine Trocknungseinrichtung 48 auf, die dem Flugstromreaktor 12 vorgeschaltet sind.

Der Flugstromreaktor 12 weist des Weiteren einen Materialauslass 27 auf, der beispielsweise am unteren Endbereich des Kühlbereichs 18 angeordnet ist. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 entspricht im Wesentlichen dem der Fig.1 , wobei der Flugstromreaktor 12 im Unterschied zu der Fig. 1 keinen Kühlbereich aufweist. Die Anlage 10 der Fig. 2 umfasst einen separat zu dem Flugstromreaktor 12 angeordneten Kühler 52 und optional eine sich daran anschließende Zerkleinerungseinrichtung 54. Der Kühler 52 ist stromabwärts des Materialauslasses 27 angeordnet, sodass das in dem Flugstromreaktor 12 thermisch behandelte Material dem Kühler 52 zugeführt wird. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Kühler 52 um einen Flugstromkühler, Wirbelschichtkühler, Trommelkühler, Plattenkühler, Schneckenkühler oder eine Kombination daraus.

Der untere Bereich des Aktivierungsbereichs 16 des Flugstromreaktors 12 der Fig. 2 ist optional als Wirbelschichtreaktor 56 ausgebildet.

Bezugszeichenliste

10 Anlage zur Wärmebehandlung

12 Flugstromreaktor

14 Vorwärmbereich

16 Aktivierungsbereich

18 Kühlbereich

20 Brennkammer

22 Heizeinrichtung / Heißgaserzeuger

24 Kühlgaseinlass

26 Materialeinlass

27 Materialauslass

28 Abgasauslass

29 Gaseinlass

30 Abgas

32 Gasanalyseeinrichtung

34 Gasweiche

36 rückgeführtes Abgas

38 abgeführtes Abgas

40 Abgasbehandlungseinrichtung

42 Speicher

44 sauerstoffreiches Gas

46 Zerkleinerungseinrichtung

48 Trocknungseinrichtung

50 Brennstoff

52 Kühler

54 Zerkleinerungseinrichtung

56 Wirbelschichtreaktor