DE102008059369B4

DE102008059369B4 - Verfahren und Anlage zur Herstellung von Hüttensand

Info

Publication number: DE102008059369B4
Application number: DE200810059369
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Kupper Detlev
Original assignee: ThyssenKrupp Polysius AG
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 2008-11-28
Filing date: 2008-11-28
Publication date: 2012-04-12
Anticipated expiration: 2028-11-29
Also published as: DE102008059369A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Hüttensand, wobei a) schlackenbildendes Rohmaterial (6) in feinkörniger Form zunächst vorgewärmt und zumindest eine Teilmenge vorcalciniert und dann einem Schmelzprozess zugeführt wird, b) die im Schmelzprozess anfallende Schlacke (17) als Hauptprodukt des Schmelzprozesses abgezogen wird, während die Schmelze zu mehr als 50% erhalten bleibt, c) die Schlacke (17) abgeschreckt und zerkleinert wird und d) die bei der Herstellung des Hüttensands entstehenden Abgase (13, 14) einer CO2-Aufbereitung, einer CO2-Lagerung und/oder einer CO2-Nutzung/Verwertung zugeführt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hüttensand, der durch Abschrecken und Zerkleinern von Schlacke entsteht, die in einem Schmelzprozess anfällt.
Bei der Herstellung von Portlandzement entstehen aufgrund der hohen Prozesstemperaturen und der im Rohmaterial enthaltenen Carbonate sehr hohe Kohlendioxid-Emissionen in der Größenordnung von etwa 800 kg CO₂/t Portland-Zementklinker. Vor dem Hintergrund einer drohenden Klimaerwärmung werden Bemühungen unternommen, die Emission des Treibhausgases Kohlendioxid zu senken.
Eine Möglichkeit zur Minderung des CO₂-Ausstoßes bei der Zementherstellung besteht darin, einen Teil des Portland-Zementklinkers durch latent hydraulische Zusatzstoffe zu ersetzen. Hierfür bietet sich insbesondere der Hüttensand an, der aus der beim Hochofenprozess entstehenden Schlacke gewonnen werden kann ( DE 20 2004 006 841 U1 ).
Die im Hochofenprozess neben dem Roheisen gleichzeitig entstehende Schlacke wird nach Abzug aus dem Hochofen abgeschreckt und in einer Schlackenmahlanlage aufgemahlen (vgl. etwa http://de.wikipedia.org/wiki/Hochofenprozess). Der so gewonnene Hüttensand findet dann (neben Klinker) als Bestandteil von Zement Verwendung.
Beim bekannten Hochofenprozess wird Eisen durch Reduktion von Eisenoxid gewonnen. Hierzu werden neben oxidischen Eisenerzen Koks und Zuschlagstoffe, wie Quarz und gebrannter Kalk, zur Reaktion gebracht. Das Roheisen und die schwimmende Schlacke werden getrennt aus dem Hochofen abgezogen. Die Schlacke wird nach dem Abzug aus dem Hochofen abgeschreckt und in einer Schlackenmahlanlage aufgemahlen.
Nun ist jedoch der Hochofenprozess im Hinblick auf die Gewinnung von Roheisen optimiert, während die Schlacke ein Neben- bzw. Abfallprodukt des Hochofenprozesses darstellt, das zudem nur in begrenzten Mengen anfällt.
Der aus der Schlacke gewonnene Hüttensand ist ein wichtiger Bestandteil von Zementen. Eine Vergrößerung dieses Bestandteiles im Zement wäre insbesondere hinsichtlich der CO₂-Reduzierung sinnvoll und anzustreben.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Anlage zu entwickeln, wodurch eine besonders wirtschaftliche Herstellung von Hüttensand ermöglicht wird, um dadurch den Hüttensandanteil im Zement zu vergrößern und die CO₂-Emissionen bei der Zementherstellung zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 21 gelöst.
Das erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Hüttensand beihaltet folgende Verfahrensschritte:

a) schlackenbildendes Rohmaterial (6) wird in feinkörniger Form zunächst vorgewärmt und zumindest eine Teilmenge vorcalciniert und dann einem Schmelzprozess zugeführt,
b) die im Schmelzprozess anfallende Schlacke (17) wird als Hauptprodukt des Schmelzprozesses abgezogen, während die Schmelze zu mehr als 50% erhalten bleibt,
c) die Schlacke (17) wird abgeschreckt und zerkleinert und
d) die bei der Herstellung des Hüttensands entstehenden Abgase (13, 14) werden einer CO₂-Aufbereitung, einer CO₂-Lagerung und/oder einer CO₂-Nutzung/Verwertung zugeführt.

Ebenso wie der bekannte Hochofenprozess nutzt auch das neue Verfahren eine Schmelze, über der sich schwimmende Schlacke bildet. Im Unterschied wird jedoch erfindungsgemäß schlackenbildendes Rohmaterial zugeführt. Außerdem wird als Hauptprodukt des Schmelzprozesses nicht die Schmelze, sondern die Schlacke abgezogen, während die Schmelze zu mehr als 50%, vorzugsweise mehr als 90%, erhalten bleibt.
Auf diese Weise lässt sich Hüttensand in großtechnischem Maßstab sehr wirtschaftlich herstellen. Dies wiederum ermöglicht einen höheren Anteil an Hüttensand im Zement, wodurch die CO₂-Emissionen bei der Zementherstellung reduziert werden können.
Die erfindungsgemäße Anlage zur Herstellung von Hüttensand besteht im Wesentlichen aus

a) einem Vorwärmer und einem Calcinator zur Vorwärmung und zur Vorcalcination von schlackenbildendem, feinkörnigen Rohmaterial,
b) einem Schmelzreaktor mit wenigstens einer Schmelze,
c) eine Einrichtung zur Einführung des vorgewärmten und vorcalcinierten schlackenbildenden feinkörnigen Rohmateriales in die Schmelze,
d) einer Einrichtung zum Abzug eines Teils der Schlacke aus dem Schmelzreaktor,
e) einer Kühleinrichtung zur raschen Abkühlung der abgezogenen Schlacke zur Erreichung des amorphen Zustandes,
g) wobei der Calcinator und/oder der Vorwärmer mit einer CO₂-Aufbereitungseinrichtung und/oder einer Einrichtung zur CO₂-Lagerung und/oder einer Einrichtung zur CO₂-Nutzung/Verwertung in Verbindung steht.

Indem die bei der Herstellung des Hüttensands entstehenden Abgase einer CO₂-Aufbereitung, einer CO₂-Lagerung und/oder einer CO₂-Nutzung/Verwertung zugeführt werden, kann der in die Atmosphäre gelangende CO₂-Anteil weiter reduzieren werden.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das schlackenbildendes Rohmaterial in feinkörniger Form zunächst vorgewärmt, zumindest eine Teilmenge vorcalciniert und dann dem Schmelzprozess zugeführt. Die Vorwärmung des schlackenbildenden Rohmaterials kann dabei auch in zwei separaten Teilmengen erfolgen, wobei zumindest eine der Teilmengen vorcalciniert wird, bevor das Rohmaterial dem Schmelzprozess zugeführt wird. Bei einer derartigen Ausgestaltung könnte die eine Teilmenge mit den Abgasen aus den Schmelzprozess und die andere Teilmenge mit den Abgasen der Vorcalcination vorgewärmt werden.
Das vorgewärmte und vorcalcinierte Rohmaterial wird weiterhin vorzugsweise in feinkörniger Form in die Schmelze eingetragen.
Als Verbrennungsluft beim Schmelzprozess und/oder bei der Vorcalcination kann Luft, insbesondere Kühlerabluft, verwendet werden. Luft hat jedoch einen hohen Stickstoffanteil, sodass eine hohe Luftmenge für die Verbrennung erforderlich ist. Eine separate Entsorgung dieser Abgasmengen ist wirtschaftlich nicht durchführbar. Es ist daher erstrebenswert, die CO₂-Konzentration im Abgas zu erhöhen, um dadurch eine wirtschaftliche Aufbereitung, Lagerung bzw. Nutzung/Verwertung zu ermöglichen.
Eine Möglichkeit zur Erhöhung der CO₂-Konzentration im Abgas besteht darin, dass man bei der Herstellung des Hüttensandes Verbrennungsluft einsetzt, die einen Sauerstoffgehalt von wenigstens 75, vorzugsweise wenigstens 90 mol% aufweist. Eine derartige Verbrennungsluft kann dabei sowohl beim Vorcalcinieren als auch beim Schmelzprozess eingesetzt werden. Allein durch die Maßnahme kann die CO₂-Konzentration im Abgas auf mehr als 70% gesteigert werden.
Die für die Aufrechterhaltung der Schmelze erforderliche Energiezufuhr erfolgt durch Zugabe von Brennstoff in die Schmelze. Bei dem oben beschriebenen Verfahren entstehen etwa 60% der CO₂-Emissionen aus dem im Rohmaterial enthaltenden Kalkstein, während etwa 40% aus der Verbrennung hervorgehen. Um die durch den Brennstoff hervorgerufenen CO₂-Emissionen zu senken, kann eine Maßnahme darin bestehen, dass beim Schmelzprozess Wasserstoff als Brennstoff eingesetzt wird.
Das bei der Herstellung von Hüttensand entstehende CO₂-haltige Abgas kann weiterhin einer CO₂-Wäsche unterzogen werden oder wird entfeuchtet und verdichtet und ggf. einer Tieftemperatur-Phasentrennung unterzogen.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das CO₂-haltige Abgas als Nährstoff einem Bioreaktor zuzuführen, indem Pflanzen, insbesondere Algen, herangezogen werden.
Die herangezogenen Pflanzen können als Brennstoff, insbesondere im Schmelzprozess, genutzt werden.
Die abgezogene Schlacke wird so rasch abgekühlt, dass zumindest der überwiegende Teil der Schlacke glasig erstarrt. Dabei ist es denkbar, dass die Abkühlung in zwei Stufen erfolgt, wobei zunächst mit einem flüssigen Kühlmedium und anschließend mit einem gasförmigen Kühlmedium gekühlt wird.
Im Anschluss daran wird die abgekühlte Schlacke fein zerkleinert, wobei zumindest ein Anteil der abgekühlten Schlacke bis auf einer Feinheit von mindestens 3.500 bis 8.000 Blaine, vorzugsweise von mindestens 10.000 Blaine, zerkleinert wird.
Für das Verfahren zur Herstellung von Zement, der als Bestandteile zumindest Klinker und Hüttensand enthält, wird zumindest ein Teil des nach dem obigen Verfahren hergestellten Hüttensandes verwendet, wobei zumindest ein Teil des gesamten Hüttensandes die im vorhergehenden Absatz angegebene Feinheit besitzt.
Der Schmelzprozess wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante unter reduzierender Atmosphäre und mit einer metallischen Schmelze betrieben, wobei dem Schmelzprozess schlackenbildendes Rohmaterial zugeführt und als Hauptprodukt des Schmelzprozesses die Schlacke abgezogen wird, während die Schmelze weitgehend erhalten bleibt.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele und der Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen
1 ein Blockschaltbild einer Anlage zur Herstellung von Hüttensand gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 ein Blockschaltbild einer Anlage zur Herstellung von Hüttensand gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
3 ein Blockschaltbild einer Anlage zur Herstellung von Hüttensand gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
4 ein Blockschaltbild einer Anlage zur Herstellung von Hüttensand gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,
5 ein Blockschaltbild einer Anlage zur Herstellung von Hüttensand gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel und
6 ein Blockschaltbild einer Anlage zur Herstellung von Hüttensand gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel.
Die in 1 dargestellte Anlage zur Herstellung von Hüttensand enthält einen Vorwärmer 1 sowie einen Calcinator 2 für schlackenbildendes, feinkörniges Rohmaterial, einen Schmelzreaktor 3, eine Kühleinrichtung 4 sowie eine Zerkleinerungsanlage 5.
Das schlackenbildende Rohmaterial 6 wird dem Vorwärmer 1 aufgegeben, gelangt dann als vorgewärmtes Rohmaterial 7 in den Calcinator 2 und wird schließlich als vorcalciniertes Rohmaterial 8 in die Schmelze 9 des Schmelzreaktors 3 eingetragen. Die Abgase 10 des Schmelzreaktors 3 werden dem Calcinator 2 zugeleitet, dem außerdem Brennstoff 11 sowie Verbrennungsluft 12 zugeführt wird, die als warme Abluft von der Kühleinrichtung 4 kommen kann. Die Abgase 13 des Calcinators treten in den Vorwärmer 1 ein, dessen Abgase 14 in bekannter Weise entstaubt werden können.
Dem Schmelzreaktor 3 wird Brennstoff 15 sowie Verbrennungsluft 16 zugeführt, die wiederum als warme Abluft von der Kühleinrichtung 4 kommen kann. Die Verbrennungsluft im Calcinator bzw. die Verbrennungsluft 16 im Schmelzreaktor könnte aber auch durch reinen Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter Verbrennungsluft gebildet werden.
Die sich im Schmelzreaktor bildende, schwimmende Schlacke 17, die sich aufgrund unterschiedlicher Dichte von der metallischen Schmelze 9 separiert, wird als eigentliches Nutzprodukt aus dem Schmelzreaktor 3 abgezogen (Pfeil 18), während die Schmelze 9 zu mehr als 50%, vorzugsweise mehr als 90% im Schmelzreaktor 3 zurückbleibt, wobei eventuell auftretende kleinere Schmelzverluste oder Schmelzüberschüsse durch geeignete Materialzu- bzw. -abfuhr ausgeglichen werden.
Die aus dem Schmelzreaktor abgezogene flüssige Schlacke 17 wird in der Kühleinrichtung 4 so rasch abgekühlt, dass zumindest der überwiegende Teil der Schlacke glasig erstarrt. Die abgezogene Schlacke kann dabei in zwei Stufen abgekühlt werden, wobei zunächst mit einem flüssigen Kühlmedium 19, beispielsweise Wasser, und anschließend mit einem gasförmigen Kühlmedium 24, insbesondere Luft, gekühlt wird.
Der so hergestellte, überwiegend amorphe Hüttensand 20 wird dann in der Zerkleinerungsanlage 5 fein zerkleinert, wobei die Zerkleinerung des Hüttensandes entweder separat oder gemeinsam mit der Zerkleinerung von Klinker 21 und sonstigen Additiven 22 erfolgen kann. Aus der Zerkleinerungsanlage 5 wird normgerechter Zement 23 mit der gewünschten Kornverteilung und mit einem hohen Anteil von Hüttensand abgezogen. Bei separater Zerkleinerung werden die Bestandteile des Zements in einem Mischer zu Zement homogenisiert.
Bei den im Folgenden zu beschreibenden Ausführungsbeispielen werden für gleiche Anlagenteile dieselben Bezugszeichen verwendet, um das Verständnis zu erleichtern.
Die Anlage zur Herstellung von Hüttensand gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel (2) unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel zum einen in der Bereitstellung einer Luftzerlegungsanlage 25 und einer CO₂-Aufbereitungseinrichtung 26 und zum anderen durch eine Rückführung eines Teils 14' der Abgase des Vorwärmers 1 in den Calcinator 2 und/oder den Schmelzreaktor 3.
Die Luftzerlegungsanlage 25 dient zur Herstellung von Sauerstoff, der als Verbrennungsluft 12 im Calcinator 2 und/oder als Verbrennungsluft 16 im Schmelzreaktor 3 verwendet werden kann. Dabei ist denkbar, dass die Verbrennungsluft aus reinem Sauerstoff besteht oder einen Sauerstoffgehalt von wenigstens 75 mol%, vorzugsweise wenigstens 95 mol% aufweist.
Die Verwendung von Sauerstoff bzw. Sauerstoff angereicherter Luft reduziert die für die Verbrennung erforderliche Verbrennungsluftmenge erheblich, da der Anteil an Stickstoff entsprechend reduziert ist. Allein durch diese Maßnahme lässt sich die CO₂-Konzentration im Abgas 14 von etwa 25% auf 70 bis 75% gegenüber einer mit normaler Verbrennungsluft betriebenen Anlage steigern.
Ist der Calcinator 2 als Flugstromcalcinator ausgebildet, ist eine Mindestmenge an Trägergas erforderlich, die sich üblicherweise aus dem Abgas 10 des Schmelzreaktors und der Verbrennungsluft 12 zusammensetzt. Reduziert sich jedoch die Verbrennungsluftmenge durch den hohen Sauerstoffgehalt, kann es erforderlich sein, dass eine Teilmenge 14' des Abgases des Vorwärmers 1 oder auch eine Teilmenge des Abgases des Calcinators zum Calcinator 2 rezirkuliert wird, um dort eine ausreichende Trägergasmenge bereitzustellen.
Wird der Calcinator 2 jedoch als Wirbelschichtreaktor ausgebildet, kann die Trägergasmenge soweit reduziert werden, dass keine Rezirkulation von Calcinator- und/oder Vorwärmerabgasen erforderlich ist. Dies hätte den Vorteil, dass die durch die Rezirkulation bedingte Recarbonatisierung verhindert werden kann.
Der Vorwärmer 1 wird zweckmäßigerweise durch einen Zyklonwärmetauscher gebildet, bei dem es allerdings unvermeidlich zu signifikanten Mengen an Falschluft bei der Vorwärmung kommt. Dennoch lässt sich bei dieser Variante eine CO₂-Konzentration im Abgas 14 von etwa 70 bis 75% erreichen. Beim derzeitigen Stand der Entwicklung ist eine CO₂-Speicherung/Lagerung jedoch erst ab Konzentrationen von wenigstens 96% sinnvoll.
Zu diesem Zweck wird das Abgas 14 einer CO₂-Aufbereitungseinrichtung 26 zugeführt, wobei das Abgas aufeinander folgend eine Einrichtung 26a zur Entfeuchtung, eine Einrichtung 26b zur Verdichtung und eine Einrichtung 26c zur Entgasung durchläuft. Eine weitere Aufkonzentrierung des Abgases könnte mit einer Einrichtung 26d zur Tieftemperatur-Phasentrennung erreicht werden. Das am Ende dieses Prozesses vorliegende CO₂-haltige Gas ist so hoch aufkonzentriert, dass eine wirtschaftliche Lagerung und/oder anderweitige Nutzung/Verwertung möglich ist. Das verbleibende Restgas 27 wird in die Atmosphäre geleitet oder anderweitig verwendet.
Im dritten Ausführungsbeispiel (3) sind zwei Vorwärmer 1a, 1b vorgesehen, wobei der eine Vorwärmer 1a an die Abgasleitung des Calcinators 2 und der andere Vorwärmer 1b an die Abgasleitung des Schmelzreaktors 3 angeschlossen ist. Der Vorwärmer 1b wird somit lediglich von den Abgasen 10 des Schmelzreaktors 3 durchströmt, während der Vorwärmer 1a mit den Abgasen 13 des Calcinators 2 beaufschlagt wird. Dementsprechend wird auch das schlackenbildende Rohmaterial in zwei Teilmengen 6a und 6b den beiden Vorwärmern 1a und 1b aufgegeben. Während die im Vorwärmer 1b vorgewärmte Teilmenge des Rohmaterials 7b direkt in den Schmelzreaktor 3 geleitet wird, wird die im Vorwärmer 1a vorgewärmte Teilmenge 7a zunächst noch im Calcinator 2 vorcalciniert und gelangt als vorcalcinierte Rohmaterialteilmenge 8a in den Schmelzreaktor 3.
Wird der Calcinator 2 bei dieser Variante zudem mit reinem Sauerstoff oder zumindest mit einer mit sauerstoffangereicherten Verbrennungsluft betrieben, entsteht bereits im Abgas 13 des Calcinators bzw. im Abgas 14 des Vorwärmers 1a eine sehr hohe CO₂-Konzentration. Da das Rohmaterial auf zwei Vorwärmer aufgeteilt wird, ergeben sich entsprechend kleinere Vorwärmen, sodass sich auch der Falschlufteintritt etwa halbieren wird. Dies hat zur Folge, dass sich bei etwa gleichem thermischen Energieverbrauch höhere CO₂-Konzentrationen einstellen, die über 80% liegen können.
Durch die Verwendung von reinem Sauerstoff oder einer mit sauerstoffangereicherten Verbrennungsluft reduziert sich wiederum die Verbrennungsluftmenge durch den hohen Sauerstoffgehalt, sodass es erforderlich sein kann, dass eine Teilmenge 14' des Abgases des Vorwärmers 1 oder auch eine Teilmenge des Abgases des Calcinators zum Calcinator 2 rezirkuliert wird, um dort eine ausreichende Trägergasmenge bereitzustellen.
Allerdings entweicht beim Ausführungsbeispiel gemäß 3 das Abgas 28 des mit den Abgasen des Schmelzreaktors 3 durchströmten Vorwärmers 1b ungehindert. Der CO₂-Anteil im Abgas des Vorwärmers 1b könnte aber dadurch reduziert werden, dass im Vorwärmer 1b bevorzugt keine Carbonate, sondern nur Al₂O₃-, FeO₃- und SiO₂-Träger wärmebehandelt werden. Darüber hinaus besteht die weitere Möglichkeit, den Schmelzreaktor 3 mit Wasserstoff zu betreiben, um dadurch den CO₂-Anteil aufgrund des Brennstoffes zu vermeiden.
Der Wasserstoff könnte in einem Dampfreformer 29 mittels Erdgas und in einer Einrichtung 30 pyrolysierter Kohle 31 hergestellt werden. Der Dampfreformer wird dabei zweckmäßigerweise mit der Abwärme 32 der Kühleinrichtung betrieben. In einem nachfolgenden CO₂-Abscheider 33 wird der Wasserstoff vom Kohlendioxid getrennt.
4 zeigt eine alternative Anlage mit zwei Vorwärmern 1a und 1b wobei der Vorwärmer 1a von den Abgasen 13 des Calcinators 2 und der Vorwärmer 1b von den Abgasen 10 des Schmelzreaktors 3 durchströmt wird. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß 3 gelangt jedoch die im Vorwärmer 1b vorgewärmte Teilmenge 7b des Rohmaterials nicht direkt in den Schmelzreaktor 3, sondern wird zunächst im Calcinator 2 zusammen mit der anderen im Vorwärmer 1a vorgewärmten Teilmenge 7a des Rohmaterials vorcalciniert.
In 4 wird weiterhin die Möglichkeit aufgezeigt, dass die im Calcinator 2 eingesetzte Verbrennungsluft mit der Abwärme 32 der Kühleinrichtung 4 in einem Wärmetauscher 34 vorgewärmt werden kann. Das rezirkulierte Abgas 14' kann sowohl als Verbrennungsluft 12 im Calcinator (wie dargestellt), als auch als Kühlluft in der Kühleinrichtung 4 eingesetzt werden.
Das Prinzip der Vorwärmung der Verbrennungsluft 12 für den Calcinator 2 wird auch im Ausführungsbeispiel gemäß 5 beibehalten. Hier ist allerdings wiederum nur ein Vorwärmer 1 vorgesehen, der aber im Gegensatz zu den beiden ersten Ausführungsbeispielen lediglich mit dem Abgas 10 des Schmelzreaktors 3 durchströmt wird. Das dem Vorwärmer 1 aufgegebene Rohmaterial 6 wird als vorgewärmtes Rohmaterial 7 dem Calcinator 2 zugeführt, der mit vorgewärmter Verbrennungsluft 12, Brennstoff 11 und einem rückgeführten Teil 13' des Calcinatorabgases 13 beaufschlagt wird. Bei dieser Variante wird das Abgas 13 des Calcinators unmittelbar nach dem Calcinator der CO₂-Aufbereitungseinrichtung 26 zugeführt, sodass ein etwaiger Falschlufteintrag im Bereich des Vorwärmers für dieses Abgas vermieden wird. Da hier keine Abkühlung des Abgases durch einen Vorwärmer stattfindet, kann es erforderlich sein, dass eine Kühleinrichtung 37, beispielsweise in Form eines Dampfreformers, zwischengeschaltet wird. Die Kühleinrichtung kann dann beispielsweise zur Stromerzeugung oder zur Wasserstoffherstellung genutzt werden.
Dadurch lassen sich CO₂-Konzentrationen im Abgas 13 von 96% und mehr erreichen, sodass lediglich eine Entfeuchtung und eine anschließende Verdichtung erforderlich ist, wenn das CO₂ gelagert werden soll. Selbstverständlich kann das Gas auch einer anderen Nutzung oder Verwertung zugeführt werden. Allerdings muss man bei dieser Variante berücksichtigen, dass ein Teil der CO₂-Menge nach dem Vorwärmer 1 ungemindert entweicht. Um diese CO₂-Emissionen zu reduzieren kann der Schmelzreaktor 3 mit Wasserstoff betreiben werden. Dieser Brennstoff wäre auch beim Ausführungsbeispiel gemäß 4 eine gute Möglichkeit, um den CO₂-Anteil aufgrund des Brennstoffes zu vermeiden. Die hohen Temperaturen des Abgases 28 bedingen jedoch einen deutlich erhöhten Wärmeverbrauch.
6 zeigt schließlich eine Anlage, bei der die CO₂-Aufbereitungseinrichtung 26 durch eine Einrichtung 26e zur CO₂-Wäsche des Abgases 14 und eine Einrichtung 26f zur Regeneration des verwendeten Lösungsmittel gebildet wird. Die Einrichtung 26f kann dabei durch die Abwärme 32 der Kühleinrichtung 4 betrieben werden. Zweckmäßigerweise ist der Einrichtung 26e zur CO₂-Wäsche eine Einrichtung 38 zur Entschwefelung vorgeschaltet.
Da die Herstellung von Hüttensand wesentlich weniger CO₂-Emissionen hervorruft als die Klinkerherstellung, führt eine Erhöhung des Hüttensandanteils im Zement bereits zu einer deutlichen Reduzierung der CO₂-Emissionen. Werden darüber hinaus die in den verschiedenen Ausführungsbeispielen aufgezeigten Möglichkeiten einzeln oder in Kombination miteinander genutzt, kann die CO₂-Emissionen bei der Hüttensandherstellung zusätzlich gemindert werden. In hoch konzentrierter Form lässt sich das CO₂-haltige Gas in entsprechenden Lagerstätten lagern.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, das CO₂-haltige Abgas für die Herstellung von Brennstoff zu nutzen, der idealerweise als Brennstoff bei der Herstellung von Hüttensand Verwendung findet. Hierzu kann ein mit Pflanzen, insbesondere Algen, bestückter Bioreaktor vorgesehen werden, durch den die CO₂-haltigen Abgase geleitet werden. In Verbindung mit Licht wandeln die Algen das CO₂ durch Photosynthese in Biomasse und Sauerstoff um. Die Biomasse kann dann als Brennstoff im Schmelzreaktor 3 eingesetzt werden. Bei dieser Art der Nutzung der CO₂-haltigen Abgase ist prinzipiell eine CO₂-Aufbereitung nicht erforderlich, sodass das Abgas direkt nach dem Calcinator bzw. dem Vorwärmer in den Bioreaktor geleitet werden kann. In 2 ist ein solcher Bioreaktor 35 gestrichelt angedeutet. Er kann aber auch bei den anderen Ausführungsbeispielen zur Anwendung kommen.
Optional kann das Abgas durch eine Entstaubungseinrichtung 36 vor Eintritt in den Bioreaktor 35 vom Staub befreit werden. Da die Algen naturgemäß nach der Ernte eine hohe Feuchtigkeit aufweisen, kann optional die Wärme des im Kühler 24 erwärmten gasförmigen Kühlmediums genutzt werden, um die Algen in einem Trockner 39 zu entfeuchten.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Hüttensand, wobei a) schlackenbildendes Rohmaterial (6) in feinkörniger Form zunächst vorgewärmt und zumindest eine Teilmenge vorcalciniert und dann einem Schmelzprozess zugeführt wird, b) die im Schmelzprozess anfallende Schlacke (17) als Hauptprodukt des Schmelzprozesses abgezogen wird, während die Schmelze zu mehr als 50% erhalten bleibt, c) die Schlacke (17) abgeschreckt und zerkleinert wird und d) die bei der Herstellung des Hüttensands entstehenden Abgase (13, 14) einer CO₂-Aufbereitung, einer CO₂-Lagerung und/oder einer CO₂-Nutzung/Verwertung zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das vorgewärmte und vorcalcinierte Rohmaterial (8) in feinkörniger Form in die Schmelze eingetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung des Hüttensands Verbrennungsluft (12, 16) eingesetzt wird, die einen Sauerstoffgehalt von wenigstens 75 mol% aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vorcalcinieren des vorgewärmten Rohmaterials Verbrennungsluft (12) eingesetzt wird, die einen Sauerstoffgehalt von wenigstens 75 mol% aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Schmelzprozess Verbrennungsluft (16) eingesetzt wird, die einen Sauerstoffgehalt von wenigstens 75 mol% aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Aufrechterhaltung der Schmelze (9) erforderliche Energiezufuhr durch Zugabe von Brennstoff (15) in die Schmelze erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Schmelzprozess Wasserstoff als Brennstoff (15) eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das schlackenbildende Rohmaterial in wenigstens zwei Teilmengen (6a, 6b) separat voneinander vorgewärmt und wenigstens eine der Teilmengen (7a) vorcalciniert wird, bevor das Rohmaterial dem Schmelzprozess zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Teilmenge (6b) mit Abgasen (10) aus dem Schmelzprozess und die andere Teilmenge (6a) mit Abgasen (13) der Vorcalcination vorgewärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas (14) bei der CO₂-Aufbereitung entfeuchtet und verdichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas (14) bei der CO₂-Aufbereitung einer CO₂-Wäsche unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas (14) bei der CO₂-Aufbereitung einer Tieftemperatur-Phasentrennung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bei der Herstellung des Hüttensands entstehende CO₂-haltige Abgas (14) als Nährstoff einem Bioreaktor (35) zugeführt wird, in dem Pflanzen, insbesondere Algen, herangezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die so herangezogenen Pflanzen als Brennstoff (15) im Schmelzprozess genutzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Herstellung des Hüttensands erforderliche Verbrennungsluft (12) mittels entstehender Prozessgase vorgewärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die abgezogene Schlacke (17) so rasch abgekühlt wird, dass zumindest der überwiegende Teil der Schlacke glasig erstarrt.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die abgezogene Schlacke (17) in zwei Stufen abgekühlt wird, wobei zunächst mit einem flüssigen Kühlmedium (19) und anschießend mit einem gasförmigen Kühlmedium (24) gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die abgekühlte Schlacke fein zerkleinert wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Anteil der abgekühlten Schlacke bis auf eine Feinheit von mindestens 3500–8.000 Blaine, vorzugsweise von mindestens 10.000 Blaine, zerkleinert wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlacke (17) in einem reduzierend betriebenen Schmelzprozess mit metallischer Schmelze (9) anfällt.
Verfahren zur Herstellung von Zement, der als Bestandteile zumindest Klinker und Hüttensand enthält, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des verwendeten Hüttensandes ein nach dem Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche hergestellter Hüttensand ist und dass zumindest ein Teil des gesamten Hüttensandes die Feinheit gemäß Anspruch 19 besitzt.
Anlage zur Herstellung von Hüttensand mit a) wenigstens einen Vorwärmer (1, 1a, 1b) und einen Calcinator (2) zur Vorwärmung und Vorcalcination von schlackenbildendem, feinkörnigen Rohmaterial, b) einen Schmelzreaktor (3) mit wenigstens einer Schmelze (9), c) eine Einrichtung zur Einführung des vorgewärmten und vorcalcinierten schlackenbildenden feinkörnigen Rohmateriales (8) in die Schmelze (9), d) eine Einrichtung zum Abzug eines Teils der Schlacke (17) aus dem Schmelzreaktor (3), e) eine Kühleinrichtung (4) zur raschen Abkühlung der abgezogenen Schlacke (17) zur Erreichung des amorphen Zustandes, f) eine Zerkleinerungseinrichtung (5) zur Feinzerkleinerung der abgekühlten Schlacke g) wobei der Calcinator (2) und/oder der Vorwärmer (1, 1a) mit einer CO₂-Aufbereitungseinrichtung (26) und/oder einer Einrichtung zur CO₂-Lagerung und/oder einer Einrichtung zur CO₂-Nutzung/Verwertung in Verbindung steht.
Anlage nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage zur Herstellung von Hüttensand mit einem Bioreaktor (35) in Verbindung steht, in dem Pflanzen, insbesondere Algen, herangezogen werden und der von CO₂-haltigen Abgasen der Anlage zur Herstellung von Hüttensand durchströmt wird.
Anlage nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Calcinator (2) Mittel zum Zuführen von Verbrennungsluft (12) mit einem Sauerstoffgehalt von wenigstens 75 mol% aufweist.
Anlage nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzreaktor (3) Mittel zum Zuführen von Verbrennungsluft (16) mit einem Sauerstoffgehalt von wenigstens 75 mol% aufweist.
Anlage nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzreaktor (3) Mittel zum Zuführen von Wasserstoff aufweist.
Anlage nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Vorwärmer (1a, 1b) vorgesehen sind, wobei der eine Vorwärmer (1b) an eine Abgasleitung des Schmelzreaktors (3) und der andere Vorwärmer (1a) an eine Abgasleitung des Calcinators angeschlossen ist.
Anlage nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die CO₂-Aufbereitungseinrichtung (26) eine Einrichtung (26a) zur Entfeuchtung und einen Verdichter (26b) umfasst.
Anlage nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die CO₂-Aufbereitungseinrichtung (26) weiterhin einen Entgaser (26c) aufweist.
Anlage nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die CO₂-Aufbereitungseinrichtung (26) eine Einrichtung (26e) zur CO₂-Wäsche umfasst.
Anlage nach Anspruch 30 dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (26e) zur CO₂-Wäsche eine mit der Abwärme der Kühleinrichtung (4) betriebene Einrichtung zur Regeneration des verwendeten Lösungsmittels umfasst.
Anlage nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit der Abwärme der Kühleinrichtung (4) betriebener Dampfreformer (29) zur Herstellung von Wasserstoff vorgesehen ist.
Anlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 22 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzreaktor (3) als reduzierend betriebener Schmelzreaktor mit einer metallischen Schmelze (9) ausgebildet ist.