WO2011036180A1 - Verfahren und vorrichtung zur nutzung der bei der granulation einer flüssigen schlacke freigesetzten abwärme - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur nutzung der bei der granulation einer flüssigen schlacke freigesetzten abwärme Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for using the released during the granulation of liquid slag waste heat.
  • the invention also relates to the supplied ⁇ hearing device for carrying out the method.
  • blast furnace ⁇ slag which is liquid at about 1500 to 1600 ° C, quenched by atomization with large amounts of water, so that an amorphous, sandy product is formed, which is also referred to as blastfurnace slag.
  • blast furnace slag is - as vorste ⁇ starting already mentioned - for example in the Zementherstel ⁇ development application.
  • wet granulation dry granulation methods have recently been described in the specialist literature, in which case a gas, for example air, is used here as the primary cooling medium.
  • the object of the invention is to specify an energetically improved method and a device for the granulation.
  • the enthalpy of the liquid slag is suitably utilized. Due to the temperature level of the liquid slag of about 1500 to 1600 ° C one can with this enthalpy air or another gas at high temperature ⁇ temperatures, for example at 700 ° C and more, and warm white ⁇ terverschreib.
  • the hot air or the hot gas can be used either directly for heating purposes or in particular with in a downstream heat exchanger for steam generation.
  • the generated steam can be used to drive a turbine.
  • FIGURE shows a schematic representation of a granulation plant for liquid slag the associated media lines for displaying the process flow.
  • FIG 1 is a container for liquid slag, examples game, a watering can, referred to in which is at ⁇ game as blast furnace slag with a temperature of 1500 °.
  • the slag is introduced via an outlet 2 in a container for a dry granulation.
  • a container for a dry granulation Such a container is designated 10 and hermetically sealed to the outside.
  • the liquid slag is passed onto a rotating plate 11, where it is tangentially accelerated by adhesion to the plate and entrained by its viscosity and thrown by the centrifugal force almost radially outward and thereby sprayed into smaller particles that jump laterally ⁇ jump .
  • a motor drive 12 is provided for the rotating plate.
  • a unit 13 for spraying with water in order to ensure even at short periods of slag flow still sufficient cooling.
  • a first cooling of the slag droplets takes place during the flight from the plate into the cooling bed 14 whereby the surface of the droplets solidifies, so that they already meet in granular consistency on the cooling bed 14 through which air flows from below. From there they trickle supported by the agitation of the air flow in the cooling bed to the outlet at the lowest Stel ⁇ le of the container 10 and further into a reservoir 15, where the partially cooled, granular slag for further cooling by the air flow passes through and from time to Time can be deducted.
  • the hot air is gerei ⁇ nigt in a unit 17 of soot and dust. Subsequently, the hot air is passed through a bathtau ⁇ shear 18 and reaches the input 19 of a Ver dichters and from there back as a cooling medium to the slag bed 14 and the collecting container 15th
  • a first heat cycle is formed.
  • the heat is transferred to a second circuit, in particular by a steam turbine 20 for driving a subsequent generator 21 is located.
  • the steam for the generator has a pressure of about 60 bar and a temperature of 450 ° C, so that it is suffi ⁇ cient for the steam turbine 20.
  • a condenser 22 At the outlet of the steam turbine ⁇ ne 20 is a condenser 22 for cooling and condensation of the exiting vapor, which has a pressure of about 50 mbar at a temperature of 33 ° C.
  • the escaping water is returned by means of a pump 24 to the heat exchanger 18 and evaporated there again.
  • the liquid slag meets a rapidly rotating plate, it is accelerated so that it is divided into small droplets and thrown radially.
  • the slag droplets release heat to the surrounding air and to the container walls by radiation. This increases to the droplet a shell of solidified slag and bil ⁇ det from even before hitting the ground a free-flowing grain.
  • the slag grains fall on a sloping hole bottom, in which air is blown from below.
  • the grains following gravity, reach the funnel-shaped granulation outlet and continue to release heat to the air.
  • the granulation part is egg ⁇ nes air circuit that directly receives the heat of the slag particles and ⁇ cools the heated by heat radiation of the particle walls.
  • the first heat cycle expediently leads the air coming from the compressor first to the outer wall of the dry granulation container 10. There, the air cools this dry granulation container 10 and is then, preheated, introduced into the dry granulation container 10 for use in dry granulation.
  • the hot air extracted from the top of the granulator is dedusted in a hot gas cyclone and fed to a heat exchanger. Calculations have shown that it cools from 700 ° to 70 °.
  • the following blower serves to maintain the air circulation and generates the slight overpressure of
  • the second steam cycle in addition to the heat exchanger ⁇ at least from a downstream expansion turbine, a condenser and a feedwater pump.
  • the particle load is well controlled by the hot gas cyclone, as is known from the coal-based combustion technology. Through the steam cycle, a large part of the enthalpy content of the slag can be used and z. B. by

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Abstract

Üblicherweise wird zur Verwertung von flüssiger Schlacke, insbesondere Hochofenschlacke, eine Nassgranulation durchgeführt und wird die Schlacke körniger Konsistenz beispielsweise bei der Zementherstellung verwendet. Die Abwärme wird dabei über Kühltürme oder dergleichen entsorgt. Gemäß der Erfindung wird eine Luftgranulation durchgeführt, wird die dabei durch Abwärme entstehende heiße Luft in einen Primärkreislauf abgeleitet und gereinigt und wird über einen Wärmetauscher ein Sekundärkreis betrieben, indem eine Dampfturbine (20) zur Erzeugung elektrischer Leistung vorhanden ist. Es kann gezeigt werden, dass bei einem geeigneten Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Wirkungsgrad von 27 % erreicht wird. Die so erzeugte elektrische Leistung wird vorrangig im Betriebsablauf verbraucht oder kann alternativ in ein Stromnetz eingespeist werden und dient zu einer beachtlichen Kostensenkung.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Nutzung der bei der Granulation einer flüssigen Schlacke freigesetzten Abwärme
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Nutzung der bei der Granulation von flüssiger Schlacke freigesetzten Abwärme. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die zuge¬ hörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
In der älteren, nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung mit dem DE-Aktenzeichen 10 2008 058 572.6 (Landes et al . ) der An¬ melderin ist ein Verfahren zur Verwertung von flüssiger
Schlacke unter Nutzung der in der Schlacke enthaltenden Wär- meenthalpie beschrieben, bei dem die heiße Schlacke speziell in den Fertigungsprozess für Zementklinker eingebracht wird. Als Schlacke wird dabei speziell Hochofenschlacke betrachtet, wobei in gleichem Maße auch andere flüssige Schlacken, bei¬ spielsweise Stahlwerkschlacken oder dergleichen, verwendet werden können.
Herkömmlicherweise wird der überwiegende Teil der Hochofen¬ schlacke, die bei etwa 1500 bis 1600°C flüssig anfällt, durch Verdüsung mit großen Wassermengen abgeschreckt, so dass ein amorphes, sandiges Produkt entsteht, das auch als Hüttensand bezeichnet wird. Derartiger Hüttensand findet - wie vorste¬ hend bereits erwähnt - beispielsweise in der Zementherstel¬ lung Anwendung. Abweichend von dieser sogenannten Nassgranulation werden neuerdings bereits in der Fachliteratur auch Trockengranulati- onsverfahren beschrieben, wobei hier als primäres Kühlmedium ein Gas, beispielsweise Luft, eingesetzt wird. Vorteilhaft ist dabei, dass sowohl eine energieintensive Nachtrocknung des Hüttensandes als auch der Material- und Energieaufwand für eine Reinigung und weiterhin für den Transport der großen Mengen des möglicherweise abrasivem und sauren Kreislaufwas- sers entfallen. Bei beiden vorstehend erwähnten Granulations- verfahren wird die Wärmeenergie aus dem Granulationsprozess gewöhnlich über einen Kühlturm entsorgt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein energetisch verbessertes Verfahren sowie eine Vorrichtung für die Granulation anzugeben .
Die Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige Vorrichtung ist im Patentanspruch 8 wiedergegeben. Weiterbildungen des Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei der Erfindung wird die Enthalpie der flüssigen Schlacke in geeigneter Weise genutzt. Aufgrund des Temperaturniveaus der flüssigen Schlacke von etwa 1500 bis 1600°C kann man mit dieser Enthalpie Luft oder ein anderes Gas auf hohe Tempera¬ turen, beispielsweise auf 700°C und mehr, erwärmen und wei¬ terverwenden .
Die heiße Luft oder das heiße Gas kann entweder direkt für Heizzwecke oder insbesondere mit in einem nachgeschalteten Wärmetauscher zur Dampferzeugung genutzt werden. Der erzeugte Dampf kann unter anderem für den Antrieb einer Turbine ge- nutzt werden.
Mit der Erfindung ergibt sich also eine beachtliche Verbesse¬ rung dadurch, dass die in der Schlacke enthaltene Wärme in geeigneter Weise genutzt wird. Damit ist ein energietechnisch und somit auch ökologisch erheblich verbesserter Betrieb in den diesbezüglichen hüttentechnischen Prozessen möglich.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungs- beispiels anhand der Zeichnung in Verbindung mit den weiteren Patentansprüchen. Die einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung eine Granulationsanlage für flüssige Schlacke mit den zugehörigen Medienleitungen zur Darstellung des Prozessablaufes .
In Figur 1 ist mit 1 ein Behälter für flüssige Schlacke, bei- spielsweise eine Gießkanne, bezeichnet, in der sich bei¬ spielsweise Hochofenschlacke mit einer Temperatur von 1500° befindet. Die Schlacke wird über einen Auslaufstutzen 2 in einen Behälter für eine Trockengranulation eingebracht. Ein solcher Behälter ist mit 10 bezeichnet und nach außen hin hermetisch abgeschlossen. Im Trockengranulationsbehälter 10 wird die flüssige Schlacke auf einen rotierenden Teller 11 geleitet, wo sie durch Haftung an dem Teller und durch ihre Viskosität mitgerissen tangential beschleunigt und durch die Zentrifugalkraft nahezu radial nach außen geschleudert und dabei in kleinere Teilchen zersprüht wird, die seitlich ab¬ springen. Für den rotierenden Teller ist ein motorischer Antrieb 12 vorgesehen. Weiterhin ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Einheit 13 zum Besprühen mit Wasser vorhanden, um auch bei kurzzeitigen Spitzen des Schlackenflusses noch eine ausreichende Kühlung zu gewährleisten.
Eine erste Abkühlung der Schlacketröpfchen erfolgt während des Fluges vom Teller in das Kühlbett 14 wobei die Oberfläche der Tröpfchen erstarrt, so dass sie bereits in körniger Kon- sistenz auf das von unten mit Luft durchströmte Kühlbett 14 treffen. Von dort rieseln sie unterstützt durch die Agitation des Luftstromes im Kühlbett zum Auslass an der tiefsten Stel¬ le des Behälters 10 und weiter in einen Vorratsbehälter 15, wo sich die teilweise abgekühlte, körnige Schlacke zwecks weiterer Abkühlung durch den durchgeleiteten Luftstrom sammelt und von Zeit zu Zeit abgezogen werden kann.
Am oberen Ende des Behälters ist ein Auslass 16 zum Auslassen der heißen Luft vorhanden, die sich beim Durchströmen durch den geschlossenen Behälter 10 auf etwa 700°C erwärmt hat. Die heiße Luft wird in einer Einheit 17 von Ruß und Staub gerei¬ nigt. Anschließend wird die heiße Luft über einen Wärmetau¬ scher 18 geführt und gelangt auf den Eingang 19 eines Ver- dichters und von dort zurück als Kühlmedium zum Schlackenbett 14 und zum Sammelbehälter 15.
Durch die genannten Elemente wird ein erster Wärmekreislauf gebildet. Durch den Wärmetauscher 18 wird die Wärme auf einen zweiten Kreislauf übertragen, indem sich insbesondere eine Dampfturbine 20 zum Antrieb eines nachfolgenden Generators 21 befindet. Der Dampf für den Generator hat einen Druck von etwa 60 bar und eine Temperatur von 450°C, so dass er ausrei¬ chend für die Dampfturbine 20 ist. Am Ausgang der Dampfturbi¬ ne 20 befindet sich ein Kondensator 22 zur Abkühlung und Kondensation des austretenden Dampfes, der einen Druck von etwa 50 mbar bei einer Temperatur von 33°C hat. Das austretende Wasser wird mittels einer Pumpe 24 zum Wärmetauscher 18 zurückgeführt und dort wieder verdampft.
Für den beschriebenen Fall wurden Simulationsrechnungen durchgeführt. Es wurde gezeigt, dass aufgrund des hohen Tem¬ peraturniveaus der flüssigen Schlacke die Luft auf hohe Tem¬ peraturen erwärmt werden kann und dass diese Heißluft in ei¬ nem nachgeschalteten Wärmetauscher zur Dampferzeugung für den Antrieb der Turbine genutzt werden kann.
Dadurch, dass die flüssige Schlacke auf einen rasch rotierenden Teller trifft, wird sie so beschleunigt, dass sie in kleine Tröpfchen zerteilt und radial fortgeschleudert wird. Auf ihrer Flugstrecke bis zum Boden der Granulationsanlage geben die Schlackentröpfchen Wärme an die umgebende Luft und an die Behälterwände durch Strahlung ab. Dadurch wächst um das Tröpfchen eine Hülle aus erstarrter Schlacke und es bil¬ det sich noch vor dem Auftreffen auf den Boden ein rieselfähiges Korn aus. Die Schlackenkörner fallen auf einen schrägen Lochboden, in den von unten Luft eingeblasen wird. Durch diese Agitation gelangen die Körner der Schwerkraft folgend zum trichterförmigen Granulationsauslass , wobei sie weiterhin Wärme an die Luft abgeben. Dabei ist es von Vorteil, dass der Granulationsraum Teil ei¬ nes Luftkreislaufes ist, der direkt die Wärme der Schlacke¬ partikel aufnimmt und die durch Wärmestrahlung der Partikel aufgeheizten Wände kühlt.
In Weiterbildung ist es möglich, die Wände zusätzlich von außen mit Kühlluft anzuströmen, einerseits um die Luft vorzu¬ wärmen und andererseits, um das Wandmaterial thermisch zu schützen. Demgemäß führt der erste Wärmekreislauf zweckmäßig die Luft vom Verdichter kommend erst zur Außenwand des Tro- ckengranulationsbehälters 10. Dort kühlt die Luft diesen Tro- ckengranulationsbehälter 10 und wird erst dann, vorgewärmt, in den Trockengranulationsbehälter 10 eingeleitet zur Verwendung in der Trockengranulation.
Die oben aus dem Granulator abgezogene Heißluft wird in einem Heißgaszyklon entstaubt und einem Wärmetauscher zugeführt. Berechnungen haben ergeben, dass sie dabei von 700° auf 70° abkühlt. Das nachfolgende Gebläse dient der Aufrechterhaltung des Luftkreislaufes und erzeugt den geringen Überdruck von
0,4 bar, der erforderlich ist, um die Luft durch Zyklon, Wärmetauscher und insbesondere durch die fluidisierte Granulati- onsschüttung zu treiben. Ein Teil des rückgeführten Gases wird in den Granulations-Vorratsbehälter geleitet und nimmt dort zusätzlich von der granulierten Schlacke langsam freigesetzte Restwärme niedriger Temperatur auf.
In der Figur besteht der zweite Dampfkreislauf neben dem Wär¬ metauscher mindestens aus einer nachgeschalteten Entspan- nungsturbine, einem Kondensator und einer Speisewasserpumpe.
Durch Modellrechnungen wurde ermittelt, dass sich bei den oben jeweils angegebenen Randbedingungen bei einem für einen Hochofen typischen, kontinuierlichen Schlackenstrom von
17 kg/s eine elektrische Nettoleistung von 7 MW ergibt, was bezogen auf den Enthalpiestrom der Schlacke einem Wirkungsgrad von 27 % entspricht. Vorstehend konnte also aufgezeigt werden, dass durch den Er¬ satz der Nassgranulation durch Trockengranulation in verbesserter Weise die Enthalpie der flüssigen Schlacke genutzt werden kann. Vorteilhaft ist dabei insbesondere, dass kein chemisch aggressives Abwasser und Dampf entsteht, wobei das Wasser zusätzlich durch hohe Belastung mit keramischen Partikeln auch noch abrasiv wäre. Durch die Trockengranulation mit Luft wird ein wesentlich höheres Temperaturniveau erschlos¬ sen. Es entstehen keine sauren Abgase und das Granulati¬ onsprodukt bedarf keiner energieaufwendigen Nachtrocknung.
Die Partikelbelastung ist durch den Heißgaszyklon gut beherrschbar, wie aus der kohlebasierten Feuerungstechnik bekannt ist. Durch den Dampfkreislauf kann ein Großteil des Enthalpiegehaltes der Schlacke genutzt und z. B. durch
Betreiben der Dampfturbine mit einem hohen Wirkungsgrad
(27 %) in elektrische Energie umgesetzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Nutzung von bei der Granulation von flüssiger Schlacke freigesetzter Abwärme, mit folgenden Verfahrens¬ schritten :
- es wird eine Trockengranulation mit einem Gas als Kühlmedi¬ um durchgeführt, wobei das Gas Wärme aus der Schlacke auf¬ nimmt, und
- die aufgenommene Wärme wird zur Energiegewinnung verwendet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die aufgenommene Wärme zur Erzeugung von Dampf verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der erzeugte Dampf in einer Dampfturbine (20) zur Stromerzeugung verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Gas über einen Primärkreislauf mit Wärmetauscher (18) ge¬ führt wird und der Wärmetauscher die Wärme auf einen Sekundärkreislauf überträgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Primärkreislauf und/oder der Sekundärkreislauf als geschlossener Kreislauf gebildet werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Granulation kontinuierlich durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Trockengranulation in einem Behältnis (10) durchgeführt wird und das Behältnis (10) gekühlt wird, indem es von außen vom Gas angeströmt oder wenigstens teilweise umströmt wird.
8. Vorrichtung zur Granulation von flüssiger Schlacke und der Nutzung der dabei freigesetzten Abwärme, aufweisend:
- eine Einrichtung (10) zur Trockengranulation der Schlacke,
- Mittel (14) zur Einleitung eines Gases als Kühlmedium in die Einrichtung (10), - Mittel (16) zur Zuführung des in der Einrichtung aufgeheizten Gases oder seiner Wärme zu einer Energiegewinnungseinrichtung (20) zur Erzeugung von Energie unter Verwendung der Wärme des aufgeheizten Gases.
9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8 mit einer Dampfturbine (20) mit elektrischem Generator (21) als Energiegewinnungseinrichtung .
10. Vorrichtung gemäß Anspruch 8 oder 9, bei der die Einrichtung (10) zur Trockengranulation mit einem Primärkreislauf zur Führung des Gases verbunden ist und der Primärkreislauf über einen Wärmetauscher (18) mit einem Sekundärkreislauf zur Nutzung der im Gas zwischengespeicherten Wärme verbunden ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10 mit einer Staubabtrennungs- einrichtung (17) zur wenigstens teilweisen Reinigung des Gases im Primärkreislauf.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 mit einem Verdichter (19) im Primärkreislauf.
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