DE102006031926A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Zementklinker - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Erzeugung von Zementklinker bei dem Rohmehl oder Granalien unverzweigt über einen einstufigen oder mehrstufigen Dehydrator (2) und einen sich daran anschließenden Calcinator (3) in den Einlauf einer Sinterstufe (1) geführt und der dort erbrannte Zementklinker über einen Kühler (4) ausgetragen wird, wobei das Rohmehl oder die Granalien im Calcinator (3) bei einer Temperatur bis 1100°C und mehr vollständig calciniert und in der Sinterstufe nur noch gesintert wird, von wo aus Sinterstufenabgas und Calcinatorabgas als Gesamtabgas aus dem Dehydrator abgezogen werden, auf den Mänteln der rotierenden Wärmetauscher (Calcinator, Sekundärofen) in schneckenförmiger Linie Kühlrippen aufgebracht sind und um diese in feststehenden Sammelkanälen über den Eintritt am Calcinator Kühlluft angesaugt, in den Calcinator- und über den Sekundärofen-Sammelkanal geführt und von hier als aufgeheizte Luft einer Nutzung des Wärmerückgewinns zugeleitet wird, die Alkalien gemäss einer Anordnung der Bauteile nach 03 ausgetrieben werden, zur Verwertung der Enthalpie der Kühler-Abluft der Kühler mit getrennter...

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Zement-Rohmehl zur Erzeugung von Zement-Klinker bei vollständiger Entsäuerung im Calcinator und der Absenkung des spezifischen Wärmeaufwandes für den Klinkerbrand.
• Stand der Technik
• Unter Anwendung der verschiedenen Vorcalcinier-Verfahren, damit verbundener, relativ kürzerer Drehrohröfen, dem Einsatz von 5–6 stufigen Zyklonvorwärmern sowie modernsten Klinkerkühlern werden heute mit derartigen Anlagen je nach Art und Aufbereitung des Brenngutes und des Brennstoffes spezifische Brennstoffbedarfe von ca. 2930–3140 kJ/kg Klinker erreicht.
• Wie aus der ZKG-10/89,S.510–514 bekannt ist, wurden mit einem 2-Stufen-Calcinator in Versuchen Vorcalcinierraten von ca. 98 % bei Temperaturen unterhalb 8500C erreicht. Der hohe Calcinierungsgrad wurde erreicht ohne Erhöhung der Temperatur des Ofen-Aufgabegutes, aber bei Verlängerung der Verweilzeit um das Doppelte im Durchgang durch die beiden Calcinationsstufen.
• Die besten heute betriebenen Zyklon-Wärmetauscher-Anlagen erzeugen den Zementklinker mit einem spezifischen Wärmeaufwand von ca. 3000 kJ/kg Klinker bei erschöpftem Minderungspotential des spezifischen Wärmeaufwandes. Diese allgemeine Auffassung wird vom BDZ/VDZ und auch von den führenden Anlagenbauern vertreten. Andere Brennanlagen- Systeme für Zementklinker liegen eher höher als der vorgenannte Wert von ca. 3000 kJ/kg Klinker.
• Der Nachteil des Standards „Zyklon-Wärmetauscher" ist, das er seine optimale Leistung nur in der für die Auslegung der Gasgeschwindigkeit festgelegten Dimensionierung der Zyklone erreichen kann. Beim Unterschreiten der optimalen Gasgeschwindigkeit nimmt der Abscheidegrad der Zyklone und damit die Durchsatzleistung ab und der spezifische Wärmebedarf steigt an. Nachteilig ist beim Zyklon-Wärmetauscher auch, dass durch die diversen, verzweigten Gutströme ein vorher aufwendig homogenisiertes Rohmehl im Wärmetauscher enthomogenisiert wird. Dieser Vorgang ist auch bekannt aus der ZKG-1992/Nr. 5 S. 225 unter 2.1.3., worin es u.a. heißt, dass der thermische Wirkungsgrad des bekannten Zyklonvorwärmers vermindert wird durch innere Staubkreisläufe und Mehldurchschuss. Wichtig ist festzuhalten, dass das Brennverfahren mit dem Zyklon-Wärmetauscher ein Vorcalcinier-Verfahren mit über 300°C heißen Abgasen bleibt, in welchem bei Temperaturen unter ca. 1040°C keine totale Entsäuerung möglich ist.
• Der Wärmeverbund „Abgasverwertung/Rohmaterial-Trocknung" ist nur optimal bei voller Ausnutzung des Wärmeangebotes und nur in diesem Fall ist der Abgasverlust von der im Brennsystem aufgewandten Wärmeenergie abzuziehen.
• Nachteilig und problematisch sind weiter Anbackungen und die Ansatzbildung im Temperatur-Bereich ab etwa 850°C auch für normale Rohmehle bis in den Bereich vor der Schmelzphasen-Bildung bei allen bekannten Vorwärmer-Konstruktionen. Besonders kritisch ist das Problem der Ansatzbildung im Temperatur-Bereich ca. 700–900° C bei Na-, K- und Cl- haltigen Verbindungen.
• Durch das Patent DE 4315212 ist ein Verfahren zur Herstellung von Zementklinker bekannt, bei welchem das Rohmehl im Calcinator durch höhere Temperaturen vollständig calciniert und im Drehrohrofen nur noch gesintert wird.
• Weiterhin ist es bei der Klinkerherstellung bekannt, aus den Einsatzstoffen oder teilweise verarbeiteten Stoffen Presslinge (Pellets usw.) herzustellen und diese in das Verfahren einzubringen. Gemäß der DE OS 25 54 989 erfolgt dieses nach der Vorwärmung, vor der Sinterung. Mit dieser Lösung soll eine Sinterung im Wirbelbett ermöglicht werden. Gemäß der DE PS 44 33 049 werden die nassen Rohstoffe zu Filterkuchen gepresst und anschließend in Stücke kleiner 10 mm zerkleinert. Diese werden nun teilweise calciniert und dann in den Drehrohrofen eingebracht. Der Einsatz von stückigem Gut ergibt sich aus der erforderlichen Zerkleinerung des Filterkuchens für die Verarbeitung. Die Granulierung von Zementrohmehl zur Herstellung von Zementklinker ist z.B. in der Zementindustrie durch den Einsatz des Schacht- bzw. Wanderrostes(LEPOL-Ofen) seit langem bekannt.
• Aufgabe der Erfindung
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Brennverfahren und eine Vorrichtung zu dessen Durchführung mit einer strömungstechnischen Durchsatzunabhängigkeit zu schaffen, um einen mindestens gleichbleibenden, bzw. ständig optimalen spezifischen Wärmebedarf für das Klinkerbrennen, auch bei erheblicher Minderung des Brenngutdurchsatzes zu ermöglichen. Weitere Aufgaben sind die Vermeidung der Entmischung der Rohmehlkomponenten und eine Minimierung der Materialanbackungen und Ansatzbildungen im Wärmetauscher und Drehrohrofen, auch bei Temperaturen über 1040 °C im Calcinator und Rohmehlen mit hohem Alkalianteil sowie die Vermeidung von NO_x-Bildung.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere günstige Ausführungen sind in den Ansprüchen 2 und 3 enthalten.
• Die Merkmale des Anspruchs 1 ermöglichen ein Herunterfahren der Höchstleistung im Gesamtbereich bis ca. 25% bei praktisch konstant bleibenden optimalen spezifischen Wärmebedarfs für den Klinkerbrand.
• Vom Erfinder und Anmelder wurden dem VDZ, sowie die wichtigsten Anlagenbauer über einen „Vergleich der derzeitigen Technologie des Zementklinkerbrennens mit der einer neuen Patentanmeldung nach dem D-H- Verfahren", jedoch ohne patentrechtliche Angaben, informiert! In diesem Vergleich wird zur Vereinfachung der verwendeten Begriffe für die beiden konkurrierenden Brennverfahren das bestehende strömungstechnisch-/durchsatzabhängige als die heute „vorherrschende Technologie" und das zukünftige strömungstechnisch-/durchsatzunabhängige Verfahren nach der neuen Anmeldung als das „Dorst-Huckauf-Verfahren" benannt! Die Vorteile des neuen Wärmetauscher-Systems gegenüber dem seit über 50 Jahren bestehenden und weltweit führenden Zyklon-Wärmetauscher sind u.a.:
  Die merkbare Wärmeenergieersparnis diesen gegenüber und die mit der Energie-Ersparnis im gleichen Prozent-Verhältnis erfolgende Absenkung der CO₂- und NO_x-Emissionen. Ein wichtiger Vorgang für den Umweltschutz.
• Mit der unverzweigten Gutführung bis in die Sinterzone wird ein in allen einzelnen Wärmetausch-Phasen thermisch und chemisch homogener Gutzustand erreicht und bleibt der Vorteil der Aufteilung der Prozesse in kleine Schritte gewahrt.
• Die Zeit für den Wärmetausch vom Guteintritt in den Vorwärmer bis zum Gutaustritt in den Drehrohrofen liegt gegenüber dem Zyklon-Wärmetauscher über tausendfach höher. Hierdurch sind eine kompaktere Konstruktion und Bauweise des neuen Systems mit wesentlich geringerem umbauten Volumen und damit auch niedrigen Baukosten möglich und es verringern sich auch die Abstrahlungsverluste. Die merkliche Wärmeenergieersparnis wird erreicht durch eine Absenkung der Abgastemperatur, die erhebliche Erhöhung der Wärmeaustauschzeit im Vorwärmer und im Calcinator sowie durch Minderung der Kühlerverluste durch den Rohrkühler. Neben der Wärmeenergieersparnis wird auch der spezifische elektrische Energiebedarf gesenkt. Die wesentlichen Vorteilsmerkmale zusammengefasst sind:
• – die strömungstechnische Durchsatzunabhängigkeit,
• – die Vermeidung von Entmischungen der Rohmehlkomponenten und keine internen Staubkreisläufe,
• – die größere Flexibilität in der Anlagenführung im Hinblick auf die Abnehmererfordernisse aber auch auf das Eigeninteresse des Betreibers,
• – die räumliche Anordnung der verschiedenen Anlagenteile vom Vorwärmer bis zum Kühler, hierdurch erfolgt die Gutführung ausschließlich durch Schwerkraft sowie durch mechanische Wirkprinzipien,
• – ein Anlagenkonzept mit erhöhter Flexibilität in der Betriebsführung, um auf die künftig qualitativ und quantitativ breiter gefächerten Anwenderanforderungen besser und kostengünstiger reagieren zu können,
• – die merkliche Ersparnis an Mahlenergie durch eine optimal grobe Mahlfeinheit des Rohmehls,
• – der Entfall eines Kühler-Abluftfilters,
• – der Entfall einer großen Klinkerbevorratung mit den umfangreichen Transportmitteln zur Ein- und wieder Auslagerung des Klinkers, (dafür der direkte Weg des Klinkers vom Kühler in den Mühlen-Aufgabebunker), mit Wegfall der durch die Klinkerbevorratung vorweg entstehenden Brennstoffkosten,
• – der Entfall der umfangreichen Entstaubungseinrichtungen für Klinker-Transport und -Lagerung.
• – der Wärmerückgewinn durch die Mantelkühlungen der rotierenden Bauteile 2, 3, 1 und 4.
• – der praktisch konstant bleibende spezifische Wärmebedarf für den Klinkerbrand (kJ/kg Kl) beim Herunterfahren der Garantieleistung (gleich Optimale-)im Gesamtbereich bis ca. 25% und die Senkung der Investitionskosten bei 7-jähriger Abschreibung in einer Größenordnung von 2/3.
• (Gemäß ergänzende „Dr. Kupper-Offenbarung" aus dem in „Polysius teilt mit" Nr. 218 veröffentlichten, am Zementtag 2001 in Hannover gehaltenen Vortrag, nach der – wären bei einem unterstellten Technologiesprung mit 50% Personaleinsparung und ebenfalls 50%-iger Senkung der elektrischen Energie und zusätzlich die thermische Energie um etwa 600kJ/kg Klinker (20%) – die Abschreibungen um 2/3 zu senken wären).
• Die Aufgabe der aus Rohmehl geformten Granalien erfolgt erfindungsgemäß auf den Wanderrost (Dehydrator), die Granalien werden hier bei Temperaturen um mindestens ca. 650°C bis max. ca. 750°C restlos entwässert und dann in den Calcinator geführt. Im Calcinator wird bei Temperaturen von 1100°C und mehr das Gut total entsäuert. Im erfindungsgemäßen Kleinstdrehrohrofen (gegenüber dem herkömmlichen Zyklon-Vorwärmer-Verfahren ein erheblich kleineres Ofenvolumen!), oder einer sonstigen Sintereinrichtung erfolgt dann die Restklinkerbildung. Die Granalien sind Presslinge mit kugeliger Form in einer mittleren Größe von 10 mm.
• Mit der Anordnung der in Reihe liegenden Bauteile (2, 3, 1, 4 in 01-02) wird nach der Anmeldung DE 102004 023 686.0 über die feststehenden Sammelkanäle 3' und 1' um die Bauteile 3 und 1, sowie den auf den Mänteln 3 und 1 aufgebrachten Kühlrippen über 3' angesaugte Frischluft durch das schneckenartige Leitsystem bis zum Luftaustritt 1' zwangsgeführt und dabei für einen Wärmerückgewinn aufgeheizt.
• Beispiel
• Die Erfindung ist in den anliegenden 3 Zeichnungen schematisch gezeigt und im Zusammenhang mit den darin gezeigten Ausführungsbeispielen nachstehend näher beschrieben.
• Die in 01 veranschaulichte Anlage zur Herstellung von Zementklinker enthält einen Drehrohrofen 1 und ist mit einem Dehydrator 2 und einem Calcinator 3 als Wärmetauscher versehen. Der Dehydrator 2 ist in diesem Fall als Wanderrost zur schonenden Behandlung der Presslinge bis zu deren Härtung ausgebildet. Die Brennstoffeingaben erfolgen mit 5 in den Drehrohrofen 1 und 6 in den Calcinator 3. Das aus dem Calcinator 3, einem rotierenden, geneigten Wärmetauscher, kommendes Gut wird in den Drehrohrofen 1, das Ofenabgas direkt in Dehydrator 2 geführt.
• Der Rotationskühler 4 entspricht der 13 aus meinem Patent DE 43 00 011 C2 mit integrierter Brecheinrichtung. Die 02 ist eine bis auf das Bauteil 2 identische Anlage der 01, der Dehydrator 2 ist in diesem Fall aber ein rotierender Schneckenwärmetauscher nach 6 aus meinem Patent DE 43 00 011 C2 .
• Die 03 zeigt ein strömungstechnischdurchsatzunabhängiges Verfahren mit einer Alkalien-Abtrennung und einer Teilung des Calcinators in 3a/3b sowie den zusätzlich notwendigen Bauteilen: Zusatzbrennstoff-Eingabe 17 und Kondensierer 19.

1

Sekundärofen-(Drehrohrofen)

2

Dehydrator = Wanderrost und rotierender Schneckenwärmetauscher

3

Calcinator = Primärofen

4

Rohrkühler

5

Brennstoff-Eingabe Q_I

6

Brennstoff-Eingabe Q_II

17

Zusätzliche Brennstoffeingabe

19

Alkalien-Kondensierer

Claims (3)

1. Verfahren zur Erzeugung von Zementklinker bei dem Rohmehl oder Granalien unverzweigt über einen einstufigen oder mehrstufigen Dehydrator (2) und einen sich daran anschließenden Calcinator (3) in den Einlauf einer Sinterstufe (1) geführt und der dort erbrannte Zementklinker über einen Kühler (4) ausgetragen wird, wobei das Rohmehl oder die Granalien im Calcinator (3) bei einer Temperatur bis 1100°C und mehr vollständig calciniert und in der Sinterstufe nur noch gesintert wird, von wo aus Sinterstufenabgas und Calcinatorabgas als Gesamtabgas aus dem Dehydrator abgezogen werden, auf den Mänteln der rotierenden Wärmetauscher (Calcinator, Sekundärofen) in schneckenförmiger Linie Kühlrippen aufgebracht sind und um diese in feststehenden Sammelkanälen über den Eintritt am Calcinator Kühlluft angesaugt, in den Calcinator- und über den Sekundärofen-Sammelkanal geführt und von hier als aufgeheizte Luft einer Nutzung des Wärmerückgewinns zugeleitet wird, die Alkalien gemäss einer Anordnung der Bauteile nach 03 ausgetrieben werden, zur Verwertung der Enthalpie der Kühler-Abluft der Kühler mit getrennter Rekuperations- und Kühlzone eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Einsatz dieser Verfahrensschritte und Vorrichtungen eine strömungstechnische Durchsatzunabhängigkeit erzeugt und mit der unverzweigten Gutführung von der Aufgabe bis in die Sinterzone ein in allen einzelnen Wärmetausch-Phasen thermisch und chemisch homogener Gutzustand erreicht wird und somit der Vorteil der Aufteilung der Prozesse in kleine Schritte gewahrt bleibt, wodurch ein praktisch gleichbleibender spezifischer, optimaler Wärmeaufwand für den Klinkerbrand im Leistungsbereich 100 bis –25% ermöglicht wird, indem der durch das Herunterfahren der Leistung im Primär- und Sekundärofen ansteigende spezifische Wärmeverlust durch den gleichbleibenden Mantelverlust (geschätzt ca. 130 kJ/kg Kli) weitgehend ausgeglichen wird durch den zunehmenden Wärmerückgewinn mit den Mantelkühlungen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die einfache, räumliche Anordnung der verschiedenen Anlagenteile vom Vorwärmer bis zum Kühler, die Gutführung ausschließlich durch Schwerkraft sowie durch mechanische Wirkprinzipien erfolgt, wodurch sich der spezifische elektrische Arbeitsbedarf auf ein Optimum minimiert.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Mantelflächen des oder der Rohrkühler 4, wie vor für die rotierenden Wärmetauscher 1, 2 u. 3 beschrieben und gezeichnet, zur Wärmerückgewinnung mit auf den Mänteln lösbar aufgesetzten, schneckenförmigen Blechen, die auch Einzelflügel sein können, bestückt sind.