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Die vorliegende Erfindung betrifft die Verringerung der Emission von Zementbrennanlagen auf Basis des Trockenverfahrens, und zwar insbesondere jenen Anteil der Emission, der während der Erhitzung des Rohmehles im Schwebegaswärmetauscher verursacht wird. Varianten des Verfahrens, die ebenfalls Gegenstand dieser Erfindung sind, sind jedoch auch in der Lage, die Emission von S02 zu vermindern, welches nicht im Schwebegaswärmetauscher, sondern im darauffolgenden Ofenbereich gebildet wird.
Die Herstellung von Zementklinker hat eine lange und weitreichende verfahrenstechnische Entwicklung ausgelöst. Beginnend mit Nassverfahren sowie dem sogenannten langen Drehrohrofen über das Halbtrockenverfahren (Lepolprozess) bis zum Trockenverfahren mit dem Schwebegaswärmetauscher, der neuerdings mit Vorkalzinatoren bevorzugt ausgerüstet wird, ist eine verfahrenstechnische Entwicklung sichtbar, deren Ziel es war, den Prozess insbesondere in wärmetechnischer und anlagentechnischer Hinsicht bei gleichbleibender Produktgüte zu optimieren.
Dieses Ziel wurde erreicht, indem die Abstimmung zwischen den thermischen und physikalisch-chemischen Einzelprozessen (Erwärmung, Abgabe von physikalisch gebundenem und chemisch gebundenem Wasser im Rohmehl, Entsäuerung, Bildung von Klinkerphasen und Schmelzphasenbildung, Kühlprozess) und den dafür notwendigen Anlagenteilen optimiert wurde. Eine dem heutigen Stand der Technik entsprechende Schwebegaswärmetauscheranlage mit Vorkalzinator und Kühler führt die Prozesse der Vorwärmung, der Entsäuerung und der Klinkerphasenbildung sowie die Kühlung des Klinker in je einem eigens dafür optimierten Anlageteil durch.
Die dabei verwendeten Schwebegaswärmetauscher bestehen grundsätzlich aus einer Anzahl von Zyklonen, die durch Mehl- und Gasleitungen so miteinander verbunden sind, dass Gas aus dem Oberlauf eines Zyklons über eine Verbindungsleitung (Steigkanal) in den Einlauf des darüberliegenden Zyklons gefördert wird. In diesen Steigkanal wird Mehl eingebracht, und während der Förderung durch die fühlbare Wärme des Rauchgases vorgewärmt, bis es im Zyklon vom Gas weitgehend separiert wird und durch eine Falleitung in den Steigkanal zum darunterliegenden Zyklon eingebracht wird, wo es wiederum mit Rauchgas in Kontakt kommt und weiter vorgewärmt wird. Dieses Verfahren wird fortgesetzt, wobei der ursprüngliche und heute noch meist verbreitete Typus des Schwebegaswärmetauschers aus vier nacheinander vom Mehl bzw.
Gas durchströmten Zyklonen besteht. Eine weitere Entwicklung dieses Typus erstreckte sich auf mehrere Stufen sowie auch auf mehrere Stränge. Bei Verwendung mehrerer Stränge werden diese gemäss dem heutigen Stand der Technik von getrennten Gasströmen durchlaufen ; die Mehlführung kann ebenfalls für alle Stränge getrennt erfolgen, wobei dann für jeden Strang eine Mehlaufgabe erforderlich ist, es kann jedoch auch Mehl von einem Strang kreuzweise zum anderen geführt werden. Alle diese Ausführungen werden in zunehmendem Masse mit Kalzinatoren ausgestattet.
Das bedeutet, dass nach dem letzten Wärmetauscherzyklon das bereits zumeist über 800 C vorgewärmte Mehl einem eigenen ruhenden befeuerten Ofengefäss aufgegeben wird, in dem während eines Temperaturanstieges bis ca. 880 C eine weitgehende Entsäuerung des Mehles stattfindet. Danach erfolgt die Aufgabe des vorgewärmten und grossteils entsäuerten Mehles auf einen Drehrohrofen, der das Mehl unter weiterer Aufwärmung und Klinkerphasen- sowie Schmelzphasenbildung in die Brennzone fördert, der gebrannte teilweise schmelzflüssige Klinker verlässt das Ofenrohr in freiem Fall und gelangt in den Klinkerkühler nachdem der Klinker die zur Lagerung und Weiterverarbeitung notwendige Temperatur erreicht hat.
Die durch die Kühlung gleichzeitig gewonnene Heissluft gelangt entweder in den Ofen oder bei Anlagen mit Kalzinator vielfach zum Teil in den Ofen und zum Teil direkt über eine Heissluftleitung (Tertiärluftleitung) in den Kalzinator ; verbleibende Heissluftmengen können im Werksverband anderweitig verwendet werden.
Durch die weitgehende Durchführung der physikalisch-chemischen Einzelprozesse des Klinkerbrandes in eigens dafür dimensionierten Anlagenteilen bzw. Ofengefässe gelang eine Minimierung des erforderlichen spezifischen Anlagenvolumens und eine Senkung der Anlagenkosten sowie auch eine Optimierung des Wärmeverbrauches, in dem sowohl der thermische Gesamtwirkungsgrad sowie auch der thermische Wirkungsgrad der einzelnen Anlagenteile verbessert werden konnte.
Diese Entwicklung zu einem Optimum an Anlagengrösse und Wärmeverbrauch hat heute einen sehr hohen Stand erreicht, der nur noch sehr begrenzt erweiterungsfähig erscheint. Der Wärmeverbrauch von Zementbrennanlagen kann bereits so stark gesenkt werden, dass die Abwärme des Prozesses gerade noch zur Trocknung der Rohmaterialaufbereitung ausreicht. Damit ist die praktische Grenze des Optimums im Wärmeverbrauch erreicht, denn jede weitere Senkung des Wärmeverbrauches würde einen zusätzlichen Energieaufwand bei der Rohmaterialaufbereitung erfordern.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist jedoch im Gegensatz zu der Zielsetzung, die zum heutigen Stand der Technik geführt hat, hingegen die Optimierung einer Zementbrennanlage, die nach dem Trockenverfahren arbeitet, hinsichtlich der Emission von Seine Gestaltung von Zementbrennanlagen unter diesen Aspekten findet heute nicht statt und ist nicht Stand der Technik.
Die Einbringung von Schwefel in eine Zementbrennanlage geschieht mit dem Rohmehl und mit dem Brennstoff. In beiden kann der Schwefel organisch sowie anorganisch gebunden vorkommen und in mehreren Oxidationsstufen auftreten. Je nach Vorkommen des Schwefels, der mit dem Rohmehl eingebracht wird, ist auch der Ort der Entstehung des S02 unterschiedlich. Die Einbringung von organischem Schwefel oder Schwefel der Oxidationszahl 2-kann es ermöglichen, dass im Schwebegaswärmetauscher SO2 freigesetzt wird. Dem Stand der
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Technik gemäss wird dieses SO2 in einem Schwebegaswärmetauscher nur zu einem Teil eingebunden.
Hauptsächlicher Gegenstand der Erfindung ist es, den Anteil dieser Einbindung zu erhöhen und damit die Emission zu verringern, bzw. in günstigen Fällen überhaupt eine nahezu vollständige Einbindung zu erzielen und eine SOo-Emission dadurch praktisch zu verhindern. Schwefel, der in Form der Oxidationszahl 6+ eingebracht wird, ist hingegen im Wärmetauscher weitgehend beständig und gelangt erst im Ofenrohr nahe der Brennzone durch die Dissoziation von Anhydrit CaS04 in die Gasphase. Diese SO-Menge, die also im Drehrohr gebildet wird, wird üblicherweise weitgehend in kälteren Bereichen des Drehrohres bzw. im Steigkanal zur letzten Zyklonstufe, wo sie mit zu CaO entsäuertem Kalziumkarbonat CaC03 in Berührung kommt, wiederum eingebunden und gelangt letztlich in den Zementklinker.
Das Ausmass der SO-Bildung in der Brennzone kann bei stabilem Ofenbetrieb dem Stand der Technik entsprechend durch eine in der Brennzone nicht reduzierende Flammenführung gering gehalten werden. Ist dies der Fall, und ist auch das Verhältnis des eingebrachten Schwefels zu den eingebrachten Alkalien molar nicht über 1, so wird das im Drehrohr gebildete SO2 nicht oder praktisch nicht emittiert. Es verlässt dann die unterste Zyklonstufe des Wärmetauschers nicht. Ist jedoch das Verhältnis des eingebrachten Schwefels zu den Alkalien grösser als 1, oder ist eine ausreichend oxidierende Flammenführung in der Brennzone nicht möglich, so kann auch dann eine SO-Emission auftreten, wenn der mit dem Rohmehl eingebrachte Schwefel ausschliesslich in der Oxidationszahl 6+ vorliegt.
Dem Stand der Technik gemäss existiert dann kein Verfahren, mit dem diese Emission im Brennaggregat selbst vermindert werden konnte. Varianten der vorliegenden Erfindung ermöglichen jedoch auch dann ein Verringern der SO-Emission.
Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es nun, in ausgewählten Stufen des Wärmetauschers die Bedingungen zur Einbindung von SO2 zu optimieren, bzw. einen Mehlteilstrom, der gegebenenfalls mit bei Erwärmung SO-freisetzenden Verbindungen angereichert sein kann, in einem Bereich des Wärmetauschers einzubinden, in dem die Bedingungen zur Adsorption des SO2 optimiert werden. Diese Bindung von SO2 kann nun entweder an Kalziumkarbonat erfolgen, das Hauptkomponente des Zementrohmehles ist, oder in einer Variante des Verfahrens an Kalziumoxid, das in der untersten Stufe des Wärmetauschers sowie im Kalzinator und im Drehofen gebildet wird.
Die Neigung zur Bindung von SO2 an das Kalziumkarbonat ist von der Temperatur, dem Sauerstoffgehalt, dem CO-Gehalt und dem Wasserdampfgehalt massgeblich abhängig. Es konnte in den Versuchen gezeigt werden, dass bei Temperaturen über 250-350 C eine höhere Bindung von SO2 an Kalziumkarbonat mit steigender Temperatur, steigendem Wasserdampfpartialdruck, steigendem Sauerstoffgehalt und sinkendem COrGehalt stattfindet. Tiefere Temperaturen, bei denen andere Gesetzmässigkeiten gelten können, treten im Wärmetauscher nicht auf.
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solchen Zusammenstoss wird bei konstanter Verweilzeit von Gas und Mehl erhöht, wenn das Verhältnis von Feststoff zu Gas erhöht wird. Es kann daher die Reaktion auch durch Erhöhung dieses Verhältnisses gefördert werden.
Weiters kann man durch Rechnung zeigen, dass praktisch auftretende SOi-Mengen selbst bei Adsorption in sehr dünnen Schichten nicht die gesamte Oberfläche des sehr feinen Rohmehles benötigen würden. Aus diesen beiden Gründen ist es zielführend, durch einen teilweisen Mehlkreislauf in einzelnen Wärmetauscherstufen, also durch Rückführung von nur zu sehr geringem Teil mit Reaktionsprodukten von SO2 und Karbonat belegtem Mehl, das Verhältnis von Feststoff zu Gas zu erhöhen. Alle diese Parameter sind üblicherweise in einem Schwebegaswärmetauscher, der dem heutigen Stand der Technik entspricht, durch die Konstruktion der Anlage sowie deren Betrieb fixiert und können nicht in Hinblick auf eine bessere Einbindung des SO2 vom Betreiber frei gewählt werden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demnach eine Gestaltung von Schwebegaswärmetauschem, die eine möglichst grosse Zahl der obgenannten Parameter so einzustellen gestattet, dass die Einbindung des SO2 optimiert wird.
Den der Erfindung zugrunde liegenden Untersuchungen zufolge sind die physikalisch-chemischen Zusammenhänge der SO-Bindung an Rohmehl und Heissmehl in ihren Mechanismen und einzelnen Schritten schwer allgemein fassbar. In Summe handelt es sich jedoch im Falle der Bindung von S02 an Kalziumkarbonat vorwiegend um eine Umsetzung des Kalziumkarbonats mit SOo und Sauerstoff zu Kalziumsulfat, wobei das Kalziumsulfat bei nicht zu hohen Temperaturen auch kristallwasserhältig sein kann. In inerter Atmosphäre sowie bei tieferer Temperatur kann auch Kalziumsulfit auftreten.
Die Reaktion von Karbonat mit SO2 zum Sulfat benötigt Sauerstoff und setzt CO2 frei und wird daher bei steigendem Verhältnis vom Sauerstoffpartialdruck zum Kohlendioxidpartialdruck bei sonst gleichen Bedingungen zunehmend auf die Seite des Sulfats verschoben.
Darüber hinaus haben die der Erfindung zugrunde liegenden Untersuchungen gezeigt, dass die Anwesenheit von Wasser auch in Form von Wasserdampf im Rauchgas eine entscheidende Rolle spielt. Dieser Wasserdampf kann
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adsorptiv gebunden werden und begünstigt die Reaktion des S02 mit dem Karbonat und Sauerstoff zu Kalziumsulfat, in dem bei gleichen Bedingungen die Ausbeute der Reaktion ähnlich wie bei Wirkung eines Katalysators erhöht wird. Die gegenständliche Erfindung sieht daher in einer Variante auch vor, das Verhältnis von Sauerstoffpartialdruck zu Kohlendioxidpartialdruck des Rauchgases sowie den Wasserdampfpartialdruck zu erhöhen, um dadurch die Bindung des SO2 in einem grösseren Ausmass zu ermöglichen.
Es ist dies gemeinsam mit der Nutzung der höheren Bindungsfähigkeit von Karbonat für S02 mit steigender Temperatur wesentlicher Grundgedanke der Erfindung.
Das Verfahren zur Verringerung der Emission von während der Zementherstellung gebildetem SO2 ist demnach dadurch gekennzeichnet, dass entweder die Zufuhr eines Teiles der gesamten Mehlmenge in einen Bereich höherer Temperatur und daher erhöhter Einbindungsmöglichkeit erfolgt, oder das in dem darüberliegenden Bereich tieferer Temperatur, der mit S02-haltigem Rauchgas beaufschlagt wird, eine Einstellung der Temperatur und/oder des Verhältnisses Gas zu Feststoff und/oder die Gaszusammensetzung und/oder eine Stoffzufuhr aus unteren Wärmetauscherbereichen derart vorgenommen wird, dass die Einbindung begünstigt wird, sowie gleichzeitige Anwendung beider Verfahrensmöglichkeiten.
In einer Variante des Verfahrens ist der im Bereich höherer Temperatur geführte Rohmehlteilstrom an jener Schwefelkomponente, die bei Erhitzung des Mehles SO2 abgibt, bzw. an flüchtigen organischen Verbindungen angereichert ; insbesondere handelt es sich um Zufuhr einer an dieser Komponente bzw. Verbindungen angereicherten Ton- oder Mergelkomponente zum Teil oder gänzlich im Bereich höherer Temperatur getrennt von der Kalkkomponente.
In vorteilhafter Weise erfolgt der Brennprozess in einem mehrstufigen Schwebegaswärmetauscher, wobei ein Teil der Mehlaufgabe nicht auf die erste, sondern auf eine tiefere Stufe erfolgt.
Eine weitere Variante des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass für den Klinkerbrennprozess ein zweisträngiges Schwebegaswärmetauschersystem verwendet wird, wobei beide Stränge parallel vom Gas durchflutet werden und durch getrennte Aufgabe des Mehles auf beide Stränge bei entsprechender Regelung der Mehlmengen sowie der Gasmengen in beiden Strängen das Temperaturniveau in der obersten Stufe so geregelt wird, dass ein Strang heisser gefahren wird.
Dabei sieht eine zweckmässige Variante des Verfahrens vor, einen Teil der auf den heisseren Wärmetauscherstrang aufgegebenen Mehlmenge nicht auf die oberste, sondern eine tiefere Stufe aufzugeben.
Eine weitere, zweckmässige Ausstattung des erfindungsgemässen Verfahrens sieht vor, in einer oder mehreren der oberen Wärmetauscherstufen das Verhätlnis von Feststoff- zu Gasmenge beim pneumatischen Transport anzuheben.
Erfmdungsgemäss kann das Anheben dieses Verhältnisses durch Rezirkulation von Mehl erreicht werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren sieht vor, dass die Rezirkulation von Mehl dadurch erreicht wird, dass ein Teil des Mehlstromes vom Unterlauf eines Wärmetauscherzyklons über eine Weiche wieder dem Steigkanal aufgegeben wird, der diesen Zyklon beschickt
Weiters kann die Rezirkulation von Mehl erfindungsgemäss so erfolgen, dass ein eigener zusätzlicher Abscheidezyklon verwendet wird, der als Vorabscheider zu einem Wärmetauscherzyklon oder als getrennter Vorabscheider einen Teil oder den gesamten abgeschiedenen Rohmehlteilstrom wieder in den Steigkanal aufgibt, der diesen Vorabscheider bzw. getrennten Abscheider beschickt.
Erfindungsgemäss kann die Rezirkulation auch so erfolgen, dass durch eine Gasleitung (Bypass) ein Wärmetauscherzyklon teilweise umgangen wird, indem ein Teilstrom der Gas-Feststoffsuspension vor seinem Einlauf abzweigt und dem Gasstrom, der den Zyklonoberlauf verlässt, zugeführt wird.
Weiters enthält das erfindungsgemässe Verfahren die Möglichkeit, die Rezirkulation des Rohmehles durch eine Senkung des Abscheidegrades eines Wärmetauscherzyklons zu erreichen, indem die Tauchrohrlänge und/oder der Einlaufquerschnitt verändert werden.
Eine vorteilhafte Variante des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig einerseits ein höheres Verhältnis von Feststoff zu Rauchgas in einer oder mehreren unteren Wärmetauscherstufen und anderseits eine höhere Bindungsfähigkeit für SO2 und flüchtigen organischen Verbindungen in einer oder mehreren oberen Stufen dadurch erreicht wird, dass im Steigkanal einer der unteren Stufen ein Teilgasstrom entnommen wird und dem Steigkanal einer der oberen Stufen zugeführt wird, wodurch einerseits in den durch den Teilgasstrom umgangenen unteren Stufen das Verhältnis Mehl zu Gas steigt und in den oberen Stufen durch die höhere Temperatur und gegebenenfalls Zufuhr von Freikalkstaub mit dem Heissgas aus den untersten Stufen die Bindungsfähigkeit erhöht wird.
Eine weitere Variante des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere in jenem Anlagenbereich der durch Erhöhung der Temperatur oder Erhöhung des Verhältnisses Feststoffmenge zu Gasmenge eine Einbindung des S02 begünstigt, die Gaszusammensetzung hinsichtlich Verhältnis Sauerstoffgehalt zu Kohlendioxidgehalt und/oder Wasserdampfgehalt insbesondere durch Zufuhr von vorgewärmter Heissluft aus dem Kühler und/oder nicht vorgewärmter Frischluft und/oder Eindüsung von Wasser so eingestellt werden kann, dass eine Einbindung des SO2 begünstigt wird.
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Eine weitere vorteilhafte Variante des erfindungsgemässen Verfahrens sieht vor, dass der unmittelbar einem im Vergleich zur Stufe 1 heisseren Ofenbereich zugeführte Rohmehlteilstrom vorzugsweise in einem solchen Bereich höherer Temperatur eingebracht wird, in dem oder nach dem das Rauchgas mit entsäuertem oder entsäuerndem Kalk in Berührung kommt und so die Bindungsfähigkeit erhöht ist, insbesondere in eine Heissluftleitung zwischen Kühler und Kalzinator oder in das Rauchgas nach Ofeneinlauf.
Die vorliegende Erfindung wird in den angeschlossenen Zeichnungen beispielhaft erläutert. Darin zeigen :
Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemässen Verfahrens bei Anwendung auf den Zementklinkerbrand mit einem einsträngigen Schwebegaswärmetauscherofen mit Kalzinator,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens auf den Zementklinkerbrand in einem zweisträngigen Schwebegaswärmetauscherofen handelsüblicher Bauart mit Kalzinator,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Variante des erfindungsgemässen Verfahrens entsprechend Fig. 2,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur erfindungsgemässen Erhöhung des Verhältnisses Feststoff zu Gas in einer Wärmetauscherstufe,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Variante des erfindungsgemässen Verfahrens von Fig.
4 unter Anwendung eines zusätzlichen Vorabscheiders vor dem eigentlichen Abscheidezyklon,
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Variante des erfindungsgemässen Verfahrens von Fig. 4 und 5 unter zusätzlicher Anwendung eines eigenen Zyklons zur Rezirkulation von Mehl,
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur erfindungsgemässen Erhöhung des Verhältnisses Feststoff zu Gas unter Verwendung eines Bypasses zwischen Einlauf und Oberlauf einer Zyklonstufe,
Fig. 8 eine schematische Darstellung der Anordnung zur Durchführung einer Variante des erfindungsgemässen Verfahrens bei Zementklinkerbrand in einem einsträngigen Schwebegaswärmetauscher,
Fig.
9 eine schematische Darstellung der Anordnung zur Durchführung einer Variante des erfindungsgemässen Verfahrens unter Verwendung eines einsträngigen Schwebegaswärmetauschers und Einbindung von Kühlerheissluft im Wärmetauscherbereich,
Fig. 10 eine schematische Darstellung der Anordnung zur Durchführung einer Variante des erfindungsgemässen Verfahrens, bei der eine S02-freisetzende Rohmaterialkomponente oder ein S02-freisetzender Rohmehlteilstrom einer Heissluftmenge nach Kühler aufgegeben wird, welche danach in einen Kalzinator gelangt,
Fig.
11 eine schematische Darstellung der Anordnung zur Durchführung einer Variante des erfindungsgemässen Verfahrens, bei der ein einsträngiger Schwebegaswärmetauscher für den Klinkerbrennprozess verwendet wird und ein S02-freisetzender Rohmehlteilstrom oder eine S02-freisetzende Rohmehlkomponente dem Steigkanal nach Ofeneinlauf aufgegeben wird.
Wie in Fig. 1 ersichtlich ist wird eine Rohmehlmenge (10) dem zu Zyklon (4) führenden Steigkanal aufgegeben. Üblicherweise ist das die einzige Mehlaufgabe in einem einsträngigen Schwebegaswärmetauscher. Es wird dann im Zyklon (4) das Mehl grossteils abgeschieden und das Gas weiter zu Gebläse (3) gefördert. Das Mehl wird nun nach Zyklon (4) wiederum im Gasstrom zum Zyklon (5) und im Zyklon (5) wiederum abgeschieden, etc. Schliesslich gelangt das Mehl in den Kalzinator (8) mit der Befeuerung (9). Hier wird es grösstenteils unter Abgabe von CO2 entsäuert, im Zyklon (7) abgeschieden, gelangt dann in den Drehofen (1) und letzlich in den Klinkerkühler (2).
Die Besonderheit des erfindungsgemässen Verfahrens sieht in diesem Beispiel vor, dass nicht die gesamte Rohmehlmenge vor dem Zyklon (4) als Aufgabe (10) in den Wärmetauscher eingeführt wird, sondern dass eine Teilmenge (11) vor dem Zyklon (5) in einem höheren Temperaturbereich dem Wärmetauscher aufgegeben wird. In diesem höheren Temperaturbereich ist eine bessere Einbindung des abgegebenen SO2 möglich.
Fig. 2 zeigt die Verwirklichung einer Variante des erfindungsgemässen Verfahrens unter Verwendung eines zweisträngigen Schwebegaswärmetauschers. Dabei handelt es sich grundsätzlich um eine handelsübliche Wärmetauscherausführung mit Vorkalzinator, wobei im Vorkalzinator das Mehl grösstenteils entsäuert wird, sodass es mit nur sehr geringer Menge an Restkohlensäure in den Drehofen (1) gelangt.
Bei dem in Fig. 2 gezeigten Wärmetauscher stammt das Rauchgas des einen Stranges aus den Abgasen des Kalzinators (8), welcher in diesem Fall wiederum nur mit aus dem Ofenkopf über eine Heissluftleitung (27) entnommene Heissluft aus dem Kühler (2) gespeist wird, das Rauchgas des anderen Stranges stammt aus dem Drehofen (1). Gemäss dem derzeitigen Stand der technischen Kenntnis ist nun der Ofenfahrer bemüht durch getrennte Regelung der Gebläse (3a) und (3b) sowie der Rohmehlmengen (10a) und (lOb) die Heissgastemperatur nach den Zyklonstufen (4a) und (4b) in etwa gleich zu halten, sodass eine ähnliche Warmeausnutzung beider Stränge und ein in Summe hoher Wirkungsgrad des gesamten Wärmetauschers erreicht wird.
In Abweichung von dieser Vorgangsweise sieht das patentgemässe Verfahren nach Fig. 2 vor, einen Strang, und zwar insbesondere den aus den Zyklonen (4a), (5a), (6a), (7a) und dem Kalzinator (8) gebildeten Strang, heisser zu fahren. Dies kann geschehen, indem durch entsprechende Regelung der Gebläse (3a) und (3b) die durch das Gebläse (3a) gesaugte Rauchgasmenge in Nonnalkubikmetern höher ist als die durch das Gebläse (3b) gesaugte Rauchgasmenge und/oder indem die bei (11) aufgegebene Mehlmenge geringer ist als die bei (10) aufgegebene Mehlmenge.
Jedenfalls bietet es sich an, den den Kalzinator enthaltenden Strang heisser zu fahren, da aus chemischen Gründen die Gastemperatur nach Zyklon (7b) bei ca. 820 C liegt, nach Zyklon (7a) jedoch zumeist bei 880 C. Durch diese höhere Temperatur
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nach Zyklon (7a) gegenüber Zyklon (7b) ist schon von vornherein die Tendenz da, dass bei sonst gleichen
Bedingungen dieser Strang eine eher höhere Gastemperatur aufweist. Zudem sieht das erfindungsgemässe Verfahren im Gegensatz zum Stand der Technik vor, bei (11) insbesondere eine Komponente aufzugeben, die sich gegenüber der Komponente (10) in der chemischen Zusammensetzung unterscheidet, und zwar dadurch, dass S02-abgehende Rohmaterialbestandteile angereichert sind.
Eine Variante des erfindungsgemässen Verfahrens zeigt Fig. 3. Dabei wird der dem heisseren
Wärmetauscherstrang aufgegebene Rohmehlteilstrom nicht nur der obersten Stufe (4a) aufgegeben (Rohmehlteilstrom (fla)), sondern auch der zweiten Stufe (5a) (Rohmehlteilstrom (lib)). Bezüglich der
Fahrweise des Wärmetauscherstranges gilt das zu Fig. 2 gesagte.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung der Anwendung einer Variante des erfindungsgemässen Verfahrens zur Erhöhung des Verhältnisses Feststoff zu Gas in einem Teilbereich des Wärmetauschers. Dies wird mit einer
Vorrichtung entsprechend Fig. 4 erreicht, indem ein Teil des im Zyklon (18) abgeschiedenen Gutes (22) wieder . über eine Schurre in den Steigkanal zum Zyklon (18) aufgegeben wird, während der verbleibende Rest (21) dem
Steigkanal zum Zyklon (17) aufgegeben wird. Dabei wird diese Vorrichtung innerhalb eines ein-oder mehrsträngigen Wärmetauschers, der ansonsten einer handelsüblichen Ausführung entsprechen kann, so plaziert, dass im Steigkanal zu Zyklon (18) eine Temperatur herrscht, in der die Einbindung von bereits entstandenem
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Fig. 5 zeigt eine Variante des in Fig. 4 dargestellten Verfahrens, bei der dem Zyklon (18) ein Vorabscheider (19) vorgeschalten ist, der die gesamte hier abgeschiedene Mehlmenge (23) wiederum dem Steigkanal zu den Abscheidern (19) und (18) aufgibt, während die in (18) abgeschiedene Mehlmenge (21) in den Steigkanal zu Zyklon (17) gelangt. Bei dem Vorabscheider (19) kann es sich im einfachsten Fall um eine Erweiterung des Strömungsquerschnittes mit darunterliegendem Sammeltrichter handeln, sodass das aufgrund der geringen Strömungsgeschwindigkeit abgeschiedene Gut in diesen Sammeltrichter gelangt.
Fig. 6 zeigt eine weitere Variante zur Durchführung des Verfahrens, bei der der Gasstrom eines Steigkanals vor dem Erreichen der Abscheidezyklone (18) und (20) geteilt wird. Ein Teil des Gasstromes führt gemeinsam mit dem suspendierten Staubgehalt in einen Abscheidezyklon (20), der die Rezirkulation mit der Mehlmenge (24) bewirkt, ein weiterer Teil führt zu einem Zyklon (18), der das Mehl (21) dem zum Zyklon (17) führenden Steigkanal aufgibt
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung einer Variante des erfindungsgemässen Verfahrens zur Erhöhung des Verhältnisses Feststoff zu Gas, die einen Bypass (25) mit Regelorgan (26) zwischen dem Einlauf und dem Oberlauf eines Abscheidezyklons (17) des Wärmetauschers vorsieht.
In diesem Fall tritt nur ein Teil der gesamten Menge des mit Mehl beladenen Staubgases in den Zyklon (17) ein und scheidet hier den darin enthaltenen Staubanteil vorwiegend ab, während ein weiterer Teil über den Bypass (25) in die Steigleitung zu Zyklon (18) gelangt, sodass auch der darin enthaltene Staub in diese Steigleitung gelangt. Dadurch wird
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dass die Steigleitung zu Zyklon (18) in einem Temperaturbereich zu liegen kommt, in dem einerseits gute Verhältnisse zur Einbindung von S02 vorhanden sind, und anderseits bereits S02 entstanden ist. Das patentgemässe Verfahren sieht auch vor, mehrere Anordnungen laut Fig. 7 im gleichen Wärmetauscherstrang anzuwenden. Dadurch wird gewissermassen der Effekt eines für jeden Zyklon im Betrieb individuell regelbaren Abscheidegrades erreicht.
Als Folge dessen kann im Betrieb wahlweise die Feststoffbeladung in allen Stufen, die mit einer solchen Anordnung versehen sind, geregelt werden, und es ist anderseits auch möglich, den in der untersten Stufe des Wärmetauschers entstandenen Freikalk beliebig hoch, also gegebenenfalls in die oberste Wärmetauscherstufe zu verschleppen, und so an beliebigen Orten im Wärmetauscher eine gesteigerte Einbindung des S02 sowohl durch das höhere Verhältnis Feststoff zu Gas, als auch die Verschleppung von CaO (Freikalk) zu erreichen. Darüber hinaus wirkt sich eine Erhöhung der Bypassmenge über den Bypass (25) auch auf das Temperaturprofil im Wärmetauscher aus, und zwar in der Gestalt, dass eine Erhöhung der Bypassmenge die Temperatur in den oberen Stufen anhebt.
Auch dieser Effekt wirkt gleichsinnig zu den obgenannten Auswirkungen und erhöht zudem die Möglichkeit der Einbindung.
Fig. 8 zeigt die schematische Darstellung einer Variante des erfindungsgemässen Verfahrens, bei der in Fortsetzung der obgenannten Überlegungen insbesondere aus dem Steigkanal der untersten Wärmetauscherstufe eine Teilmenge des Gas-Feststoffgemisches über einen mit einem Regelorgan (13) justierbaren Bypass (14) entnommen wird und dem Steigkanal der Zyklonstufe (5) zugeführt wird, sodass durch die gemeinsame Wirkung von Freikalk aus der untersten Wärmetauscherstufe, erhöhter Temperatur in der Stufe mit dem Zyklon (5) und Erhöhung des Verhältnisses Feststoff zu Gas in dieser Stufe eine bessere Einbindung von S02 im oberen Bereich des Wärmetauschers ermöglicht wird.
Fig. 9 zeigt die schematische Darstellung einer Variante des erfindungsgemässen Verfahrens, bei der in der Wärmetauscherstufe mit dem Zyklon (5) durch Zufuhr von Heissluft über eine Heissluftleitung (15) aus dem Kühler (2), sowie durch Zufuhr von Wasser (16) eine Erhöhung der Temperatur, des Sauerstoffpartialdruckes und des Wasserdampfpartialdruckes in der Stufe mit dem Zyklon (5) derart erreicht wird, dass die Einbindung von
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SO2 in dieser Stufe begünstigt wird. Ansonsten kann die Ausführung des Wärmetauschers einer handelsüblichen Anlage entsprechen.
Fig. 10 zeigt eine schematische Darstellung einer Variante des erfindungsgemässen Verfahrens, bei der eine Teilmenge des Rohmaterials, die bei Erhitzung S02 freisetzt, insbesondere eine Teilmenge, in der die SO-freisetzendcn Substanzen angereichert sind, über eine Zugabevorrichtung (11) einer vom Kühler (2) kommenden Heissluftleitung (12) (Tertiärluftleitung zum Kalzinator) aufgegeben wird, in einen Kalzinator (8)
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SO-freisetzenden Komponenten angereichert sind, dem vom Ofeneinlauf zu Zyklon (7) führenden Steigkanal, aufgegeben wird. Auch hier wird bei Entsäuerung des im Zyklon (6) abgeschiedenen Mehles im Steigkanal zu Zyklon (7) das SO2 eingebunden.
Die Durchführung des patentgemässen Verfahrens wurde an folgenden Praxisversuchen geprüft :
Zunächst wurde mit einem Schwebegaswärmetauscherofen 4-stufiger und einsträngiger Bauweise in handelsüblicher Ausführung Zementklinker mit einer Tagesleistung von 2050 tato Klinker erbrannt, wobei ein Rohmehl verwendet wurde, welches einen Gehalt an bei Erwärmung S02-bildenden schwefelhaltigen Verbindungen aufwies. Das Rauchgas dieses Wärmetauscherofens wurde im Zuge des Versuches direkt einem Elektrofilter zugeführt. Das Reingas nach Elektrofilter gelangte in den Kamin und danach in die Atmosphäre.
Zwischen Gebläse des Elektrofilters und Kamin wurde eine SO-Messeinrichtung installiert, mit der der Trockengehalt von SO2 des Rauchgases bestimmt wurde. Die Kalibrierung dieser spektrometrischen Messmethode erfolgte durch eine absolute nasschemische Analyse. Gleichzeitig mit dem S02-Gehalt wurde der Sauerstoffgehalt gemessen, und die gemessenen SO-Gehalte wurden dann rechnerisch aus Gründen der Vergleichbarkeit auf einen Sauerstoffgehalt von 6 % bezogen. Die im folgenden angegebenen S02- Konzentrationen sind daher jeweils auf 6 % 02 bezogen zu verstehen.
Im Zuge eines ersten Vorversuches (Nullversuch) wurden bei normalem Ofenbetrieb 385 mg SO/Normalkubikmeter gemessen. Sodann wurde von der der ersten (obersten) Wärmetauscherstufe aufgegebenen Mehlmenge ein konstanter Anteil von etwa 40 % abgezweigt und direkt der zweiten (nächsttieferen) Wärmetauscherstufe aufgegeben. Die hierbei gemessene SO-Konzentration im Reingas betrug sodann lediglich 308 mg S02/Normalkubikmeter. In einem getrennten weiteren Versuch wurde die Art der Rohmaterialaufbereitung geändert. Das Rohmehl wurde aus einer Kalk- und einer Tonkomponente für diesen weiteren Versuch getrennt hergestellt und die Tonkomponente wurde in einer Menge von ca. 20 % der gesamten Mehlmenge getrennt vom Kalk der Stufe (2) aufgegeben, die Kalkkomponente wurde auf die Stufe (1) aufgegeben.
Zuvor wurde in Laborversuchen festgestellt, dass bei Erwärmung im wesentlichen nur die Tonkomponente S02 freisetzt. Bei diesem Versuch wurde unter sonst gleichen Betriebsbedingungen nur 190 mg SO/Nbrmalkubikmeter gemessen. In Abwandlung dieser Vorgangsweise wurde bei einem weiteren Versuch die Tonkomponente in den Steigkanälen der Stufen (3) (vorletzte Stufe) und (4) (letzte Stufe) des Wärmetauschers aufgegeben. Es zeigte sich dabei bei der Stufe (3) eine Emission von 92 mg SOo/NbrmaIkubikmeter und bei der Stufe (4) eine Emission von 15 mg SO/NormaIkubikmeter.
Der folgende Versuch wurde wiederum mit einem homogenen Rohmehl durchgeführt. Zunächst wurde in den Stufen (2), (3) und (4) des genannten Wärmetauschersystems eine Anordnung gemäss Fig. 7 mit Bypass und Mengenregeleinrichtung errichtet. Sodann wurden die Regelorgane der Bypassleitung der Stufen (2), (3) und (4) in dieser Reihenfolge nacheinander so weit geöffnet, dass durch jede Bypassleitung ca. 15 % des Hauptgasstromes abgezweigt wurden.
Es wurden dann jeweils die SO-Konzentrationen reingasseitig gemessen und es ergab sich folgender Wert :
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<tb> Nullversuch <SEP> 385 <SEP> mg <SEP> SO/Normaikubikmeter
<tb> Bypass <SEP> Stufe <SEP> (2) <SEP> offen <SEP> 340 <SEP> mg <SEP> S02/Normalkubikmeter
<tb> Bypass <SEP> Stufe <SEP> (2) <SEP> und <SEP> (3) <SEP> offen <SEP> 282 <SEP> mg <SEP> SO/Normalkubikmeter
<tb> Bypass <SEP> Stufe <SEP> (2), <SEP> (3) <SEP> u. <SEP> (4) <SEP> offen <SEP> 190 <SEP> mg <SEP> SO/NormaIkubikmeter
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Für eine weitere Versuchsdurchführung wurde eine Rezirkulationseinrichtung entsprechend Fig. 5 an den Stufen (1) und (2) des genannten 4-stufigen Wärmetauschers eingeführt.
Die Stufen (1) und (2) wurden deshalb ausgewählt, weil erkannt wurde, dass im Temperaturbereich dieser beiden Stufen der überwiegende Anteil des bei
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Erhitzung gebildeten S02 freigesetzt wird. Bei Anwendung dieser Verfahrensvariante wurden folgende Ergebnisse erhalten :
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<tb> Nullversuch <SEP> 385 <SEP> mg <SEP> SO/Nonnalkubikmeter
<tb> Rezirkulation <SEP> in <SEP> Stufe <SEP> (1)............................... <SEP> 332 <SEP> mg <SEP> SO/Normalkubikmeter
<tb> Rezirkulation <SEP> in <SEP> Stufe <SEP> (2)............................... <SEP> 310 <SEP> mg <SEP> SO/Normalkubikmeter
<tb> Rezirkulation <SEP> in <SEP> Stufe <SEP> (1) <SEP> u. <SEP> (2)....................... <SEP> 270 <SEP> mg <SEP> SO/Normalkubikmeter
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Des weiteren wurde bei dem genannten 4-stufigen Wärmetauscher ohne sonstige Veränderungen vom handelsüblichen Anlagenzustand eine zusätzliche Verbindungsleitung für eine Gasführung zwischen den Stufen (2) und (4) mit Regelorgan gemäss Fig. 8 errichtet. Dabei wurde die abgezogene Gasmenge so eingestellt, dass ca. 15 % der Rauchgasmenge über diese Leitung abgezweigt wurden.
Gegenüber dem Nullversuch mit 385 mg SO/NormaIkubikmeter wurde mit dieser Vorrichtung ein Wert von 215 mg SOi/Normalkubikmeter gemessen.
Ein weiterer Versuch sollte klären, inwieweit eine Anhebung der Temperatur, des Sauerstoffgehaltes und des Wasserdampfpartialdruckes durch Zufuhr von Heissluft aus dem Kühler in der Stufe (2) sowie zusätzliche Eindüsung von Wasser die Einbindung verbessern kann. Hierbei wurde die Anordnung von Fig. 9 insofern umgeändert, als für den Versuch die Investitionskosten für eine Heissluftleitung vom Kühler nicht in Kauf genommen werden sollten. Es wurde daher diese Anordnung solcherart simuliert, dass ein Heisslufterzeuger in der Stufe (2) angebracht wurde, der eine Rauchgasmenge entsprechend etwa 10 % der Ofengasmenge mit einer Temperatur von ca. 910 C lieferte.
Diese Temperatur wurde entsprechend der Heisslufttemperatur (Sekundärluft) aus dem Kühler eingestellt, weiters wurde nach Zumischung der Heissluft in den Steigkanal vor der zweiten Stufe Wasser eingedüst. Die Wassermenge betrug etwa 6500 kg/h. Mit dieser Anordnung wurde gegenüber dem Nullversuch von 385 mg SO/NormaIkubikmeter eine Menge von lediglich 320 mg S02fNonnalkubikmeter gemessen.
Für einen weiteren Versuch wurde ein handelsübliches zweisträngiges Schwebegaswärmetauschersystem etwa gemäss Fig. 3 mit Vorkalzinator herangezogen.
Dabei wurde die Fahrweise so gewählt, dass durch eine höhere Rauchgasmenge des Stranges mit Kalzinator und eine Aufteilung von lediglich 40 % des Rohmehles auf den Strang mit Kalzinator und 60 % des Rohmehles auf den Strang ohne Kalzinator zwischen den beiden Strängen eine Temperaturdifferenz von 120 oC - gemessen jeweils vor den Gebläsen - erreicht wurde.
Weiters wurde auf den heisseren Strang mit Kalzinator insgesamt 20 % der gesamten Mehlmenge der Stufe (1) (oberste Stufe) und 20 % der gesamten Mehlmenge der Stufe (2) (nächsttiefere Stufe) aufgegeben. Zuvor wurde die SOi-Konzentration in einem Nullversuch bei normaler Ofenführung und Mehlzugabe bestimmt. Die Messungen erfolgten analog den Versuchen an der zuerst genannten Anlage reingasseitig nach dem gemeinsamen Elektrofilter beider Stränge, wobei das Rauchgas nach den Gebläsen direkt dem Elektrofilter zugeführt wurde.
Beim Nullversuch wurde eine Menge von 313 mg SO/Normalkubikmeter gemessen. Dem gegenüber wurde mit der obgenannten Versuchsanordnung eine S02-Menge von lediglich 202 mg S02/Nonnalkubikmeter ermittelt.