DE20220946U1

DE20220946U1 - Zementherstellungssystem zur Verwendung von Cyanidabfall als ein NOx-Reduktionsmittel

Info

Publication number: DE20220946U1
Application number: DE20220946U
Authority: DE
Original assignee: Cement Industry Environment Consortium
Current assignee: Cement Industry Environment Consortium
Priority date: 2001-08-08
Filing date: 2002-08-07
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2012-08-08

Abstract

Ein Zementherstellungssystem, das umfasst:
– einen Brennofen, der Rohmaterialien verbrennt, wobei dabei ein Gas, das eine Stickoxidverbindung umfasst, erzeugt wird;
– einen Vorwärmturm, der an den Brennofen gekoppelt ist; und
– einen cyanidhaltigen Abfall, der in dem Vorwärmturm mit dem Gas reagiert, um die Stickoxidverbindung zu reduzieren.

Description

Hintergrund
NO_x ist der Ausdruck, der verwendet wird, wenn man sich auf eine Familie von luftverschmutzenden chemischen Verbindungen bezieht. Von den NO_x-Verbindungen wird nur Stickstoffdioxid (NO₂) von der Umweltbundesbehörde (EPA) geregelt. NO₂ ist nicht nur selbst ein Luftschadstoff, sondern es reagiert ebenso in der Atmosphäre und bildet Ozon (O₃) und sauren Regen. Während stratosphärisches Ozon Schutz gegen Sonnenstrahlung bietet, ist es erforderlich, troposphärisches Ozon in der Umgebungsluft, die wir atmen, zu verringern, da troposphärisches Ozon ein Hauptbestandteil von Smog ist. Die EPA hat für NO₂ und troposphärisches Ozon nationale Qualitätsstandards für Umgebungsluft (NAAQS) eingeführt. Des weiteren kann saurer Regen nachteilige Auswirkungen auf das Ökosystem haben.
NO_x resultieren typischerweise aus der Verbrennung bestimmter Treibstoffe. Automobile und Kraftwerkskessel sind zwei Hauptquellen für NO_x, wobei wesentliche Mengen von NO_x jedoch von Müllverbrennungsanlagen, Eisen- und Stahlwerken, Glasherstellern, Petroleumraffinerien und Zementherstellern, um nur ein paar zu nennen, freigesetzt werden. Insbesondere führt wahrscheinlich die Verbrennung von Kohle während eines Zementherstellungsverfahrens zur Produktion und Freisetzung von NO_x.
Das US-Patent 4,154,803 von Uchikawa et al. (Mai 1979) beschreibtr ein Verfahren zur Verringerung des Stickoxidgehaltes in einem Verbrennungsabgas durch Vermischen des Gases mit einem Reagenzmaterial, das aus Ammoniak, einem Ammoniumsalz, Harnstoff und einer wässrigen Lösung davon ausgewählt wird. Durch selektive, nicht-katalytische Reduktion reduziert der Ammoniak oder andere Materialien das NO_x zu Wasserdampf und atmosphärischem Stickstoff. Die '803 Patentbeschreibung beschreibt weiter die Durchführung dieses Verfahrens bei Abgas, das sich während das Backens von Zement entwickelt. Das US-Patent 4,307,068 von Matsumoto et al. (Dezember 1981) unterrichtet ebenfalls über Verfahren zur Behandlung von Stickoxide enthaltenden Abgasen durch Hinzufügen von Ammoniak zu dem Abgas. Während die Einführung des Ammoniaks und einiger anderer Materialien das Verhältnis von NO_x in Abgas reduzieren können, ist ein solches Verfahren im Allgemeinen nur in einem engen Temperaturbereich (1073K-1373K) wirksam und ist aufgrund seiner Kosten oft keine praktikable Alternative.
Um die Kosten der Zementherstellung zu verringern, ist es bekannt, Abfallprodukte zu verwenden, um dem Zement mineralische Bestandteile beizusteuern. Das US-Patent 5,496,404 von Price and Long (März 1996) unterrichtet darüber, dass Farbabfall in der Herstellung von Portland-Zement verwendet werden kann. Der Farbabfall wird nach dem Brennen der Rohmaterialien in das Verfahren eingeführt. Während des Brennverfahrens verbinden sich die Rohmaterialien chemisch und verschmelzen teilweise, um Klumpen von Zemenz-Klinker zu bilden. Diese Klumpen werden gewöhnlich fein gemahlen, um Portland-Zement zu bilden und während dieses Mahlschrittes erwägt das '404 Patent die Zugabe von Abfallmaterialien. In diesem Fall kann der Mineralgehalt des Abfalls für den Portland-Zementes von Nutzen sein. Es ist eine Einschränkung in Bezug auf die Zugabe des Abfalls während des Mahlens, dass nur eine kleine Menge an Materialien an diesem Punkt nützlich sind. Die nützlichen ^Materialien sind im Allgemeinen auf große Mengen Calcium-/ kleine Mengen Siliziummaterial begrenzt.
Eine weitere Verwendung für Abfallmaterialien in der Herstellung von Zement bezieht große Mengen von Treibstoffabfällen, die Wärme für das Verbrennungsverfahren liefern, mit ein. Im Allgemeinen werden Rohmaterialien in einem Brennofen verbrannt, und dieses Verbrennungsverfahren kann Kalzinieren, Rösten, Autoklavieren oder einige andere Verfahren sein, aber auf jeden Fall wird das Verfahren im Allgemeinen bei ungefähr 2600 Grad Fahrenheit ausgeführt. Das US-Patent 4,081,285 von Pennel (März 1978) unterrichtet darüber, dass große Mengen an Treibstoffabfall, wie z.B. Farbe auf Öl-Basis, als Hilfsmittel außerhalb des Brennofens verbrannt werden können, um die erforderliche Temperatur zu erreichen. Es gibt immer noch einen Bedarf Abfälle zu finden, die die NO_x-Emissionen, die mit der Herstellung von Zement verbunden sind, zu verringern.
Ein solcher Abfall, der verwendet worden ist, um NO_x _zu reduzieren, ist Abwasserschlamm. Im US-Patent 5,586,510 von Leonard et al. (Dezember 1996) wird wässriger Schlamm aus Abwasser in einen Brennofen eingeführt, um das Verhältnis von NO_x in einem Abgas, das während eines Zementherstellungsverfahrens erzeugt wird, zu reduzieren. Die Verwendung eines Abfallproduktes, um NO_x zu reduzieren, hat einen zweifachen Vorteil, da sie der Umwelt hilft und im Allgemeinen weniger teuer ist, wobei es jedoch einen Bedarf gibt andere Abfallmaterialien, einschließlich nicht-wässriger Abfallmaterialien, verwenden zu können, um die Abgase wirksam zu denitrieren.
Ein alternatives Verfahren zur Entfernung von Stickoxiden aus Gas, das durch Zementherstellung erzeugt wird, schließt die Verwendung fester Abfallmaterialien, wie in US-Patent 6,210,154 von Evans et al. (April 2001) berichtet, ein. Das '154 Patent beschreibt Verfahren der NO_x-Reduktion durch Einführen von Abfallreifen in das Herstellungsverfahren an einem Punkt zwischen dem Mineral-Einlassende des Drehofens und dem untersten Zyklon eines Vorwärmsystems. Es wird weiter darüber unterrichtet, dass die Abfallreifen mit dem heißen Gas für einen ausreichenden Zeitraum in Kontakt stehen, um das Gewicht des leicht flüchtigen verbrennbaren Anteils der Reifen um wenigstens 30% zu verringern.
Es gibt einen anhaltenden Bedarf, um Materialien und diese Materialien verwendende Verfahren zu finden, die zur Herstellung von Zement beitragen, als auch die Menge des schädlichen NO_x verringern, das während verschiedener Verfahren in die Atmosphäre freigesetzt wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist auf Systeme und Verfahren zur Reduktion von Stickoxiden aus einem Luftstrom, durch Einführen von Cyaniden in den Luftstrom und Umsetzen der Cyanide mit den Stickoxiden gerichtet. In einigen Ausführungsformen findet die Reaktion bei einer Temperatur zwischen 649°C und 893°C (1200°F und 1640°F) statt.
Es ist zu beachten, dass der erfindungsgemäße Gegenstand besonders für ein Zementherstellungsverfahren, in dem cyanidhaltiges Abfallmaterial in das Verfahren eingeführt wird, um sowohl NO_x zu reduzieren und einen Mineralgehalt bereitzustellen, nützlich ist.
Verschiedene Gegenstände, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, zusammen mit den beigefügten Zeichnungen, in welchen gleiche Nummern gleiche Komponenten repräsentieren, deutlicher werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm eines Verfahrens zur Reduktion von Stickoxiden.
2 ist ein Schema eines Zementherstellungssystems.
Detaillierte Beschreibung
Mit Bezug zuerst auf 1 beinhaltet ein Verfahren zur Reduktion von Stickoxiden 100 die Schritte der Herstellung eines Luftstromes mit einem Stickoxid durch Verbrennen einer Rohmaterialmischung in einem Brennofen 110, des Einführens eines cyanidhaltigen Abfallmaterials in den Luftstrom 120 in einer Weise, die das Cyanid dazu bringt, mit den Stickoxiden in dem Luftstrom bei einer Temperatur zwischen 649°C und 893°C (1200°F und 1640°F) zu reagieren, 130, und der Verwendung eines Mineralrestes des Abfallmaterials in einem Zementherstellungsverfahren 140.
Stickoxid (NO_x) ist ein Ausdruck, der wenigstens eine der folgenden Verbindungen umfasst: Distickstoffoxid (N₂O), Stickstoffmonooxid (NO), Distickstoffdioxid (N₂O₂), Distickstofftrioxid (N₂O₃), Stickstoffdioxid (NO₂), Distickstofftetroxid (N₂O₄) und Distickstoffpentoxid (N₂O₅) . Ein Luftstrom mit einem Stickoxid ist bevorzugt ein Gas, das 200-1000 ppm NO_x hat, wobei jedoch die Konzentration an NO_x nicht als eine Begrenzung interpretiert werden sollte, da die Reduktion von NO_x mit wesentlich höheren oder niedrigeren Konzentrationen auftreten würde.
Ein Luftstrom mit einem Stickoxid kann ein Abgas sein, das aus einem Verbrennungsverfahren resultiert, wie das, das während der Verbrennung von Materialien (z.B. Kalkstein, Siliziumdioxid, Eisenerz und Aluminiumoxid) in einem Zementbrennofen auftritt. Im Allgemeinen ist die Verbrennung auf die sich hier bezogen wird, die Verbrennung eines Treibstoffs, z.B. Kohle, Methangas, Öl, Abfallmaterialien usw. In einem typischen Zementherstellungsverfahren steigt das NO_x-reiche Gas durch einen Vorwärmturm nach oben und aus einem Abgaskamin.
Wenn das NO_x-reiche Gas aufsteigt, wird ein cyanidhaltiges Abfallmaterial in den Luftstrom 120 eingeführt. Cyanid ist hier als irgendeines von verschiedenen Salzen oder Estern von Wasserstoffcyanid, die eine CN-Gruppe enthalten, definiert, einschließlich Kaliumcyanid und Natriumcyanid. Dieser cyanidhaltige Abfall kann sich optional von Bergbauverfahren, die ein Haldenauswaschverfahren verwenden, ableiten. In einem Haldenauswaschverfahren sickert das Cyanid durch das abgebaute Material und als Ergebnis wird ein Abfallmaterial, das einen hohen Mineralgehalt (z.B. Eisen, Aluminium und Siliziumdioxid) hat, produziert. Das Abfallmaterial enthält jedoch Wasserstoffcyanid, welches selbst eine hochtoxische Verbindung ist. Durch Verwendung dieses Abfalls kann ein zweifacher Nutzen erreicht werden, indem die NO_x-Konzentration reduziert wird und der gewünschte Mineralgehalt hinzugefügt wird. Cyanidhaltiger Abfall ist ebenfalls ein Nebenprodukt eines Aluminium betreffenden Verfahrens, in welchem ein „Tiegel", der ein Stahlgehäuse, das mit isolierendem Material ausgekleidet ist, umfasst, und eine Kohlenstoffschicht verwendet wird, wobei die Kohlenstoffschicht als Kathode für ein Elektrolyseverfahren dient. Dieses Verfahren wird in einer ebenfalls anhängigen Anmeldung, die vom selben Erfinder unter dem Titel „Use of Spent Potliners in Cement Production" eingereicht wurde und hier vollständig als Referenz aufgenommen ist, diskutiert. Es sollte angemerkt werden, dass unter Bedingungen, bei welchen Feuchtigkeit vorhanden ist, Ammoniak (NH₃) aus dem Abfall der verbrauchten Tiegelauskleidung erzeugt werden kann. Dieser Ammoniak kann verwendet werden, um zusätzlich oder alternativ bei der Reduktion des NO_x behilflich zu sein. Natürlich kann sich der cyanidhaltige Abfall von anderen Verfahren ableiten, einschließlich eines Elektroplattierungsverfahrens und eines chemischen Formulierungsverfahrens.
Es ist bevorzugt, dass das Abfallmaterial in einer nichtwässrigen Form vorliegt und die Einführung eines cyanidhaltigen Abfallmaterials 120 mit der Hilfe eines Gebläses, das das Abfallmaterial in den Luftstrom verteilt, auftritt. Unabhängig von der Art der Einführung des Abfalls wird eine ausreichende Vermischung oder ein enger Kontakt des Abfalls mit dem Luftstrom vorausgesetzt, und die Umsetzung des Cyanids mit den Stickoxiden 130 in einer selektiven, nicht-katalytischen Reduktion (SNCR) kann stattfinden. Es ist zu beachten, dass während ein SNCR-Prozess bevorzugt ist, ein selektives katalytisches Reduktionsverfahren (SCR) ebenfalls die gewünschten Ergebnisse erzeugen kann.
In einer bevorzugten Klasse von Ausführungsformen tritt die Reaktion des Cyanids (d.h. des Reagenzes) und des NO_x bei einer Temperatur zwischen 649°C und 893°C (1200°F und 1640°F) auf. Bei diesem bevorzugten Temperaturbereich hat sich gezeigt, dass die Reduktion von NO_x die von Ammoniak verursachte übertrifft. Der Temperaturbereich, innerhalb welches die Reduktion von NO_x auftritt, sollte breit ausgelegt werden, und begründete Variationen im Temperaturbereich können als solche weiterhin ein günstiges Ergebnis ergeben.
In 2 umfasst ein beispielhaftes Zementherstellungssystem 200 einen Vorwärm- und/oder Vorkalzinierungsturm 210, einen Abfalleinlass 220, ein Steigrohr 230, einen Drehofen 240 und einen Klinkerkühler 250. Der relevante Teil des Systems beginnt mit der Verbrennung von Rohmaterialien in dem Brennofen 240, wobei die Temperatur 1482°C (2700°F) oder mehr erreichen kann. Das Verbrennen der Rohmaterialien ist mit einer Treibstoffverbrennung verbunden, welche im Allgemeinen NO_x im Luftstrom des Brennofens erzeugt. Der Luftstrom folgt im Allgemeinen einem Weg von dem Brennofen nach oben durch das Steigrohr in den Vorwärmturm 210 und dann aus dem Abgaskamin. An einem geeigneten Punkt auf dem Weg wird ein cyanidhaltiger Abfall in den Luftstrom durch den Abfalleinlass 220 eingeführt. Ein Punkt auf dem Weg ist geeignet, wenn sich der cyanidhaltige Abfall ausreichend mit einem NO_x-reichen Luftstrom vermischt, um die Reduktion des NO_x zu bewirken. Während die Einführung des Abfalls so dargestellt wird, dass sie direkt im Vorwärmturm 210 auftritt, ist es beabsichtigt, dass sich der Abfalleinlass 220 an einem Punkt vor dem Vorwärmturm 210 (d.h. im Steigrohr 230 oder sogar im Brennofen 240), abhängig von der Temperatur, befindet.
Es ist beabsichtigt, dass andere Faktoren mit Ausnahme der Temperatur, bei welcher der Abfall eingeführt wird, die Effizienz der NO_x-Reduktion beeinflussen können. Unter diesen Faktoren sind die Konzentration von Sauerstoff im Luftstrom, die Retentionszeit bei geeigneten Temperaturen und die Enge des Kontaktes zwischen den NO_x-reduzierenden Faktoren und den NO_x-Verbindungen.
Somit sind spezielle Ausführungsformen und Anwendungen des Einführens von Cyanidabfall als ein NO_x-Reduktionsmittel offenbart worden. Es sollte dem Durchschnittsfachmann jedoch offensichtlich sein, dass viele weitere Modifikationen neben den bereits beschriebenen möglich sind, ohne sich von dem obigen erfindungsgemäßen Konzept zu entfernen. Der erfindungsgemäße Gegenstand sollte deshalb nicht beschränkt werden, außer im Lichte der beigefügten Ansprüche. Außerdem sollten sowohl bei der Interpretation der Beschreibung als auch der Ansprüche alle Ausdrücke im weitest möglichen Sinn, der mit dem Kontext übereinstimmt, interpretiert werden. Insbesondere sollten die Begriffe „umfasst" und „umfassend" so interpretiert werden, als beziehen sie sich auf die Elemente, Komponenten oder Schritte in einer nichtausschließenden Art, wobei sie anzeigen, dass die bezogenen Elemente, Komponenten oder Schritte vorliegen können oder verwendet oder mit anderen Elementen, Komponenten oder Schritten, die nicht ausdrücklich genannt sind, kombiniert werden können.

Claims

Ein Zementherstellungssystem, das umfasst: – einen Brennofen, der Rohmaterialien verbrennt, wobei dabei ein Gas, das eine Stickoxidverbindung umfasst, erzeugt wird; – einen Vorwärmturm, der an den Brennofen gekoppelt ist; und – einen cyanidhaltigen Abfall, der in dem Vorwärmturm mit dem Gas reagiert, um die Stickoxidverbindung zu reduzieren.
Das System nach Anspruch 1, wobei der cyanidhaltige Abfall aus Abraummasse erhalten wird.
Das System nach Anspruch 2, das weiter einen Abfall-Einzugabeanschluss an den Vorwärmturm zur Einführung des cyanidhaltigen Abfalls in den Vorwärmturm umfasst.
Das System nach Anspruch 3, wobei die Temperatur in dem Vorwärmturm an dem Punkt, an dem der Abfall eingeführt wird, zwischen 649°C und 927°C (1200°F und 1700°F) beträgt.