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Verfahren zur Herstellung eines alkaliarmen Zementes
Es ist bekannt, dass ein grösserer Gehalt der Zementrohstoffe an Alkalien sich sowohl auf die Qualität des Klinkers als auch auf den Ablauf des Brennprozesses nachteilig auswirkt. In der Sinterzone ver- dampft ein Teil der Alkalien, wird mit dem Gasstrom fortgeführt, kondensiert zu festem Alkalisulfat und Alkalichlorid, vorwiegend im Rohmehl-Vorwärmer, wo das Gas in innige Berührung mit dem kälteren Rohmehl kommt, und wandert mit diesem wieder zur Sinterzone zurück. Mit erneuter Verflüchti- gung eines Teils der Alkalisalze bildet sich ein Kreislauf aus, der erst dann ein stationäres Gleichgewicht erreicht, wenn der mit dem Klinker ausgetragene Anteil der im Umlauf befindlichen Alkalimenge genauso hoch ist wie die mit Rohmehl und Brennstoff primär eingebrachte Menge.
Die Anreicherung im Kreislauf führt wegen der leichten Schmelzbarkeit der Alkalisalze zu Ringbildungen im Ofen und Verstopfungen im Vorwärmer und kann zur Stillegung des Ofens zwingen. Besonders unangenehm sind die Chloride, weil sie am flüchtigsten sind und bei der Sintertemperatur quantitativ verdampfen. Da sie in einem Schwebegas-Vorwärmer praktisch quantitativ wieder kondensiert werden, sind schon Anreicherungen bis zum Hundertfachen der eingebrachten Menge beobachtet worden, die dann trotz sehr geringen Ausgangsgehaltes zu schweren Betriebsstörungen Anlass geben.
Gleichfalls nachteilig, wenn auch gegenüber dem Problem der Betriebsstörungen nicht so ins Gewicht fallend, ist der Umstand, dass für die im inneren Kreislauf befindlichen Alkalisalze ständig in der Sinterzone Verdampfungs- und Dissoziationswärme aufzuwenden ist, die erst im Rohmehl-Vorwärmer, wo sie nicht mehr voll ausgenutzt werden kann, wieder entbunden wird.
Es sind verschiedentlich Vorschläge zur Beseitigung der störenden Kreisläufe gemacht worden, indem vor Eintritt des Ofengase in den Vorwärmer entweder ein Teil des Gases abgezogen oder das flüch- tige Alkalisalz durch Kühlung und Kondensation an einem feinkörnigen kalten Stoff aus dem Gas abgeschieden werden soll. Beides läuft auf einen zusätzlichen Wärmeverlust hinaus.
Die Erfindung hat zum Ziel, störende Alkalikreisläufe zu vermeiden und, falls erforderlich, den Alkaligehalt im Klinker beliebig zu senken, ohne dafür Wärmeverluste in Kauf zu nehmen. Sie ist vorzugsweise für Öfen mit Vorwärmung des staubförmigen Rohmehls in der Schwebe durch die Ofenabgase gedacht, kann aber vorteilhaft auch bei andern Brennsystemen im Trocken- oder Nassverfahren angewendet werden, bei denen eine intensive Berührung zwischen dem Rohgut und den Ofenabgasen stattfindet.
Die Erfindung geht davon aus, dass beim Zementbrennen aus Kalksteinrohmehl die grossen endothermen Wärmebeträge für Kalksteindissoziation und gegebenenfalls Wasserverdampfung im Temperaturbereich unter 9000C aufzubringen sind, in dem sich die Alkalien des Rohmehls noch nicht verflüchtigen, während die Weitererhitzung des kalzinierten Rohmehls auf Sintertemperatur, in deren Verlauf das Alkali zum Teil verdampft, einen verhältnismässig geringen Wärmeaufwand erfordert. Erfindunggemäss lässt sich nun, auch bei hoher Flüchtigkeit der Alkalien, die Ausbildung eines Alkalikreislaufs
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getrennten Öfen mit getrennter Feuerung durchführt und die mit den flüchtigen Alkalien beladenen Abgase des Sinterofens quantitativ aus dem System abführt.
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Für die erste Brennstufe, den Kalzinationsprozess, sind im Trockenverfahren grössenordnungsmässig zwei Drittel, im Nassverfahren drei Viertel bis vier Fünftel der gesamten Brennstoffmenge aufzuwenden.
Die Abgasmenge vergrössert sich noch um die beim Brennprozess aus dem Rohmehl entbundenen Gase, so dass die Abgase der ersten Brennstufe im Trockenverfahren etwa drei Viertel der gesamten Abgasmenge ausmachen, im Nassverfahren entsprechend mehr. Diese Abgase der ersten Brennstufe sind praktisch frei von flüchtigen Alkalien. Sie können in Vorwärmern beliebiger Bauart ihren Wärmeinhalt an das Rohmehl abgeben, der in einer Entstaubung niedergeschlagene Staub wird vollständig wieder dem
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Auch die fühlbare Wärme der alkalihaltigen Abgase der zweiten Brennstufe muss zur Vorwärmung eines entsprechenden Anteils des Rohmehls ausgenutzt werden. Das geschieht nach an sich bekannten
Methoden, bei denen keine oder nur eine geringe Berührung zwischen Abgas und Rohgut stattfindet, wie nachher noch erörtert wird. Die Gasmenge, die dieser Sonderbehandlung unterworfen wird, beträgt nach dem oben Gesagten im Trockenverfahren nur ein Viertel der gesamten Abgasmenge und enthält die flüchtigen Alkalien in vierfacher Anreicherung. Die Gase werden durch den Wärmeaustausch so weit abgekühlt, dass die kondensierten Alkalisalze als alkalireicher Staub in einer Entstaubung abgeschieden und aus dem System entfernt werden können ; die gereinigten Abgase sind gegebenenfalls im Prozess be- liebig weiter verwendbar.
Die Fig. 1 veranschaulicht schematisch und beispielsweise den Verfahrensgang des Trockenverfah- rens, ohne auf spezielle Ausführungsformen der einzelnen Verfahrensstufen, die erst nachher besprochen werden sollen, einzugehen. Der Materialstrom geht in dem Schaubild von oben nach unten, der Gas- strom von unten nach oben, wobei die Breite der Ströme einen ungefähren Anhalt über die Mengenver- hältnisse gibt. Der Hauptstrom des Rohmehls 1 wird in dem beliebig gestalteten Wärmetauscher 2 durch das alkalifreie Abgas der ersten Brennstufe aufgeheizt. Vor Eintritt in diese Brennstufe vereinigt er sich mit der kleineren Rohmehlmenge 3, die durch das alkalihaltige Abgas der zweiten Brennstufe in dem besonderen Wärmeaustauscher 4 vorgewärmt ist. Das gesamte Rohmehl wird in der ersten
Brennstufe 5 kalziniert, wobei es das Kohlendioxyd an den Gasstrom abgibt.
Das kalzinierte Roh- mehl 6 durchläuft die zweite Brennstufe 7, in der es zu Klinker 8 fertig gesintert wird.
Der Klinker wird im Klinkerkühler 9 in üblicher Weise mit Luft gekühlt. Rund zwei Drittel der erhitzten Verbrennungsluft 10 werden zusammen mit dem Brennstoff 11 der ersten Brennstufe 5 zugeführt. Das um das Kohlendioxyd des Rohmehls vermehrt Abgas 12 passiert den Wärmeaustauscher 2 und gibt den Rest seiner Wärme zur Rohmaterialtrocknung 13 ab. Das restliche Drittel der Luft 14 - zweckmässig der heisseste Anteil - dient mit der entsprechenden Brennstoffmenge 15 zur Feuerung in der zweiten Brennstufe 7. Das alkalihaltige Abgas 16 durchläuft den Wärmeaustauscher 4 und die Entstaubung 17, in der der alkalireiche Staub 18 abgeschieden wird.
Das gereinigte Abgas 19 wird nach dem Schaubild gleichfalls der Trocknerei 13 zugeführt ; es kann stattdessen beispielsweise auch, da es kein Alkali mehr enthält, zur Vorwärmung des Rohmehls 3 in einem Intensiv-Wärmeaustauscher verwendet werden.
Das allgemeine Verfahrensschema lässt sich je nach den Gegebenheiten und dem beabsichtigten Effekt abwandeln. Der Rohmehlanteil 3 lässt sich vom Wärmetauscher 4 für alkalihaltiges Abgas unmittelbar in die zweite Brennstufe 7 einführen. Das kann von Vorteil bezüglich der Anordnung der Apparate sein, ist aber wärmetechnisch weniger günstig als der in der Zeichnung dargestellte Weg über die erste Brennstufe 5 und führt auch zu einem grösseren Anfall an alkalihaltigem Abgas.
Wenn es nicht notwendig ist, einen Alkalikreislauf vollständig zu unterbinden, besteht die Möglichkeit, in der Entstaubung 17 den Staub fraktioniert abzuscheiden und nur die alkalireichsten Anteile aus dem System zu entfernen. Oder man kann einen Wärmeaustauscher 4 verwenden, in dem nicht so weitgehend, wie es zunächst vorausgesetzt wurde, die Abscheidung der vom Abgas mitgeführten kondensierten Alkalisalze im Rohmehl verhindert wird. Man kann auch statt der Gesamtmenge nur einen Teil des alkalihaltigen Abgases 16 den gesonderten Weg über den Wärmeaustauscher 4 und die Entstaubung 17 laufen lassen und den Rest des Gases 16 zur Ausnutzung seiner fühlbaren Wärme in der ersten Brennstufe 5 oder in dem vorgeschalteten Wärmeaustauscher 2 mit dem alkalifreien Abgas 12 vereinigen. Diese Schaltung ermöglicht es, die besonderen Aggregate 4 und 17 kleiner auszufüllen.
Massgebend für diese Varianten bleibt, dass die sich ausbildenden Kreisläufe keineswegs so hoch werden dürfen, dass sie zu Betriebsstörungen führen.
Ist eine möglichst weitgehende Reduzierung des Alkaligehaltes im Klinker beabsichtigt, dann unterstützt man die Verflüchtigung der Alkalien in der zweiten Brennstufe durch an sich bekannte Mittel, wie beispielsweise Zugabe von Calciumchlorid zum Rohmehl oder von Wasserdampf zur Verbrennungs-
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luft. Solche Massnahmen konnten bisher keinen Erfolg bringen, weil erhöhte Verflüchtigung in der Sin- terzone bei wärmesparenden Öfen einen erhöhten Alkalikreislauf zur Folge hatte, der die Auswirkung der Verflüchtigung mehr oder weniger zunichte machte.
Im Nassverfahren muss der Rohschlamm zuerst in Trockengut verwandelt werden, damit man sich alle Vorteile der Erfindung zunutze machen kann. Verglichen mit dem Trockenverfahren vereinfacht sich der Verfahrensgang dadurch, dass die Abgaswärme des alkalifreien Abgases direkt zur Schlamm- trocknung benötigt wird. In dem Verfahrensschema nach Fig. 2 tritt die Schlammtrocknung an die Stelle der Rohmaterialtrocknung 13. Zum Unterschied vom Trockenverfahren durchläuft dann das gesamte getrocknete Gut 1 + 3 den Wärmeaustauscher 4 für das alkalihaltige Abgas und tritt darauf in die erste Brennstufe 5 ein. Die Abgase 12 der ersten Brennstufe gehen unmittelbar zur Schlammtrock- nung 13, in der auch die vom Alkalistaub befreiten Abgase 19 eingesetzt werden. Das übrige
Verfahrensschema bleibt unverändert.
Bei der Besprechung der apparativen Gestaltung der einzelnen Verfahrensstufen zeigen sich weitere
Vorzüge des erfindungsgemässen Verfahrens.
Für die erste Brennstufe 5 sind an sich Drehöfen üblicher Bauart verwendbar, die nur mit so geringer Brennstoffmenge befeuert werden, dass das Rohmehl nicht höher als bis zur vollständigen Kalzi- nierung erhitzt wird.
Die Aufgabe der ersten Brennstufe-Übertragung einer grossen Wärmemenge bei verhältnismässig niedriger Temperatur - lässt sich rationeller in der Weise lösen, dass man auf den Drehofen verzichtet und den erforderlichen Brennstoff unmittelbar dem Rohmehlvorwärmer zuführt. Die Verbrennung kann in einem vorgeschalteten Heissgaserzeuger oder auf besonders vorteilhafte Weise durch flammenlose Verbrennung erfolgen.
Bei einem Schwebegas-Vorwärmer wird der Brennstoff in die zur Brennkammer ausgestaltete heisseste Stufe des Vorwärmers eingeblasen oder eingespritzt, wo er sich an dem auf Dissoziationstemperatur befindlichen Brenngut entzündet ; die Verbrennungswärme wird augenblicklich auf dieses übertragen und zur weiteren Dissoziation verwendet, so dass die Temperatur nicht wesentlich über die Dissoziationstemperatur steigt.
Dient als Vorwärmer ein Wanderrost, dann ist eine zweischichtige Beschickung (untere Schicht frische, obere Schicht vorgewärmte Granalien) zweckmässig. Die Befeuerung kann durch Heissgas oder durch direkte Brennstoffzufuhr erfolgen. Die gleichmässigste Kalzinierung wird erreicht, wenn man - gute Haltbarkeit der Granalien vorausgesetzt-dem Wanderrost eine Wirbelkammer nachschaltet und den Brennstoff in Berührung mit den Granalien im Wirbelbett verbrennt.
Für die zweite Brennstufe 7 ist der Drehofen ein sehr geeigneter Brennapparat. Da er von zwei Dritteln der Verbrennungsleistung eines im einstufigen Brennverfahren betriebenen Drehofens entlastet ist, steigt der Ofendurchsatz ausserordentlich an ; die spezifische Raumleistung steigt etwa auf das Dreifache, entsprechend verringern sich die spezifischen Wandwärmeverluste und die Anlagekosten. Ausser dem Drehofen ist auch günstig der Wirbelschichtofen einzusetzen. Im Wirbelschicht-Brennprozess werden die Alkalien sehr weitgehend ausgetrieben ; aber gerade deswegen musste man bisher auf eine rationelle Ausnutzung der Abgaswärme verzichten, weil sich bei intensivem Wärmeaustausch mit dem Rohmehl sehr hohe Alkalikreisläufe ausgebildet hätten.
Für den Wärmeaustausch des alkalihaltigen Abgases 4 der zweiten Brennstufe im Gegenstrom mit einem Teilstrom 3 des Rohmehls eignet sich sehr gut ein einfaches Drehrohr. Das Gas kühlt sich vorwiegend durch Strahlung ab, und das Rohmehl nimmt kaum Alkali auf. Bei etwa 700 C ist praktisch alles Alkali innerhalb der Gasphase kondensiert und praktisch alles im festen Aggregatzustand. Zweckmässig wird das Drehrohr so dimensioniert, dass das Abgas mindestens so weit abgekühlt wird, dass der alkalireiche Staub in einer Entstaubungsanlage abgeschieden werden kann.
Liegt das Rohmehl in Granalienform vor, dann lässt sich der Wärmeaustausch des Abgases der zweiten Brennstufe, ebenso wie bei der ersten Brennstufe, auf einem Wanderrost durchführen. Es ist bekannt, im einstufigen Brennverfahren den an Alkali angereicherten Staub der Zwischen- und End-Entstaubung abzuscheiden. Dabei wird noch ein grösserer Anteil der Alkalisalze von den Granalien zurückgehalten und in den Alkalikreislauf zurückgeführt, was man durch allerhand Massnahmen - Gleichkörnigkeit der Granalien, Verringerung der Schichthöhe, Beschränkung auf einmaligen Durchgang des Gases durch die Granalienschicht (wobei der zweite Durchgang durch Vortrocknung mit Kühlerabluft ersetzt wird), Absiebung der Granalien nach Verlassen des Rostes-zu verringern sucht.
Man wird zweckmässig auch bei dem zweistufigen Brennverfahren gemäss der Erfindung alle Massnahmen ergreifen, um den durch den Wanderrost zurückgehaltenen Anteil an Alkalien möglichst gering zu halten, aber man hat gegenüber dem bekannten Verfahren den Vorteil, dass die Alkalien im Gas
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und im Staub in vierfacher Anreicherung vorliegen und mit entsprechend grösserer Ausbeute abgeschie- den werden können, und dass besondere Manipulationen zur Erhöhung des Abscheidungsgrades auf ein
Viertel der Gesamtmenge beschränkt bleiben.
Statt des direkten Wärmeaustausches zwischen Abgas und Rohmehl, wie er heute ausschliesslich üb- lich ist, lässt sich zur Abkühlung der alkalihaltigen Abgase der zweiten Brennstufe auch vorteilhaft der indirekte Wärmeaustausch anwenden, bei dem die Berührung mit dem Rohmehl vollständig vermieden wird. Nach einem an sich längst bekannten Verfahren geben die Abgase des Ofens ihre Wärme an ein Röhrensystem ab, durch das im Gegenstrom zur Gasrichtung pneumatisch das Rohmehl geblasen wird.
Der Wärmeübergang ist so gut, dass die Rohmehltemperatur dabei auf über 7000C steigen kann. Auch bei Anwendung des indirekten Wärmeaustausches auf das erfindungsgemässe Verfahren hat man den Vor- teil, dass man die Oberfläche des Wärmeaustauschers nur nach einem Viertel der gesamten Abgasmenge zu bemessen braucht. Das vorerhitzte Rohmehl wird zweckmässig durch die gleiche Rohrleitung in einem
Zuge weiter in die erste Brennstufe gefördert.
Für die Schlammtrocknung im Nassverfahren gibt es verschiedene Möglichkeiten ; aber besonders zweckmässig fügt sich die Zerstäubungstrocknung des Rohschlammes durch die heissen Abgase in den übrigen Verfahrensgang ein. Benötigt werden zwei hintereinandergeschaltete Reaktionsturme, die je- weils mit Abscheidezyklonen für das fertige Gut versehen sind. In den Trockenturm, entsprechend der
Rohschlammtrocknung 13, wird der Rohschlamm eingespritzt, in den Kalzinierturm, entsprechend der 1.
Brennstufe 5, werden Brennstoff 11 und Heissluft 10 aus dem Klinkerkühler eingeblasen.
Das im Trockenturm anfallende feinkörnige Gut wird beispielsweise mittels einer Staubförderpumpe pneumatisch durch ein Röhrensystem geblasen, in dem es durch die alkalihaltigen Abgase der zweiten Brennstufe indirekt vorgeheizt wird, und weiter in den Kalzinierturm 5 gefördert. Dort wird es durch flammenlose Verbrennung in der Schwebe auf Dissoziationstemperatur aufgeheizt und kalziniert. Alle Material- und Wärmeübergänge der Verbrennung, Kalzinierung und Trocknung in der Schwebe verlaufen wegen der Kleinheit der Teilchen sehr rasch und mit hohem Wirkungsgrad und erfordern verhältnismässig kleine Reaktionsräume.
Die indirekte Vorwärmung des Rohmehls lässt noch die Variante zu, dass dem Rohmehl feingemahlener fester Brennstoff beigemischt wird, der auf diese Weise hoch erhitzt und mit dem Brenngut innig vermischt in die erste Brennstufe eingeblasen wird. Im Trockenverfahren kann die Gesamtmenge des Brennstoffes nur mit dem Teilstrom 3 des Rohmehls vorgemischt oder gemahlen werden, der den indirekten Wärmeaustauscher 4 passiert, es sei denn, dass man auch den Wärmeaustausch 2 des Abgases 12 der ersten Brennstufe indirekt durchführt, was aber bei den grossen erforderlichen Wärmeaustauschflächen nur in Ausnahmefällen wirtschaftlich sein wird. Im Nassverfahren wird dagegen stets der Brennstoff der Gesamtmenge des Rohmehls beigegeben. Wenn keine Gefahr besteht, dass der Brennstoff sich beim Trocknungsvorgang entzündet, kann er zusammen mit dem Rohschlamm nass vermahlen werden.
Andernfalls wird er für sich getrocknet und dem Trockenmehl beigemischt.
Diese Möglichkeiten sind besonders in den Fällen interessant, in denen sehr minderwertige Brennstoffe, wie Kohlen-Waschberge, verbrannt werden können, oder der Rohstoff selbst brennstoffhaltig ist, wie beispielsweise Ölschiefer. Natürlich können minderwertige Brennstoffe, wenn der Aschegehalt nicht zu hoch ist, auch ohne Vorheizung in der ersten Brennstufe verfeuert werden, aber die Zündung wird verzögert. In jedem Falle muss bei Verwendung von festen Brennstoffen darauf geachtet werden, dass die Verweilzeit in der Brennkammer zur vollständigen Verbrennung ausreicht.
In besonderer Weise lässt sich noch der Wärmeaustausch von granuliertem Rohmehl mit alkalihaltigem Abgas auf einem Wanderrost zu einer Erniedrigung des Alkaligehaltes im fertigen Klinker ausnutzen. Wie bereits erwähnt, gehört es zu den bekannten Massnahmen zur Verringerung der Abscheidung von Alkalisalze auf dem Rost, dass das Ofenabgas nur einmal durch den Rost durchgesaugt wird und die Vortrocknung der feuchten Granalien mit heisser Kühlerabluft erfolgt. Erfindungsgemäss wird die mit Wasserdampf angereicherte Abluft der Granalien-Vortrocknung als Verbrennungsluft für die zweite Brennstufe nochmals, u. zw. an der heissesten Stelle, durch das Klinkerbett geblasen. Die hocherhitzte wasserdampfhaltige Luft fördert dabei in bekannter Weise die Verflüchtigung der Alkalien aus dem Klinker.
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