DE102008059370A1

DE102008059370A1 - Verfahren und Anlage zur Herstellung von Zement

Info

Publication number: DE102008059370A1
Application number: DE102008059370A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Frie; Wilfried Kreft
Original assignee: Polysius AG
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 2008-11-28
Filing date: 2008-11-28
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2028-11-29
Also published as: WO2010060855A1; DE102008059370B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Anlage zur Herstellung von Zement durch Verschnitt von hydraulischem Klinker und einem latent hydraulischen Mineralgemisch, wobei der hydraulische Klinker separat vom latent hydraulischen Mineralgemisch gebrannt wird. Das latent hydraulische Mineralgemisch wird durch Zusammenstellung gewünschter Rohmaterialien und anschließendem Brennen bzw. Schmelzen dieser Rohmaterialien und Kühlen hergestellt, wobei die bei der Herstellung des latent hydraulischen Mineralgemisches entstehenden Abgase einer CO2-Aufbereitung und/oder einer CO2-Lagerung und/oder einer CO2-Nutzung/Verwertung zugeführt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Zement durch Verschnitt von hydraulischem Klinker und einem latent hydraulischen Mineralgemisch, wobei der hydraulische Klinker separat vom latent hydraulischen Mineralgemisch gebrannt wird.
Die Herstellung von Zementen durch Verschnitt von hydraulischem Klinker mit latent hydraulischen Stoffen aus der Stahlindustrie, wie Hochofenschlacke, Hüttensand, Trass oder Ölschieferasche, ist eine bekannte Technik, die im Vergleich zur Herstellung von Zementen aus reinem Portland-Zementklinker eine deutliche Einsparung von Wärmeenergie und eine Verminderung der CO₂-Emission bewirkt.
In der EP-A2-1 741 683 wird zur Herstellung von Zementklinker zunächst eine Kalkkomponente mit Konverterschlacke und/oder Elektrostahlwerkschlacke und ggf. weiteren Inhaltsstoffen vermischt, um dann die so erhaltene Mischung zu brennen. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass die Schlacke noch einmal unter Energieaufwand gebrannt wird, obwohl sie bereits ohne Brennen latent hydraulisch ist.
Dennoch ist dieses Verfahren gegenüber einer Herstellung aus reinem Portland-Zementklinker sowohl unter energetischen Gesichtspunkten als auch hinsichtlich der CO₂-Emission wesentlich günstiger.
Um eine weitere Energieeinsparung zu erreichen, ist es weiterhin bekannt, die Hochofenschlacke bzw. einen anderen latent hydraulischen Stoff erst nach dem Brennen des hydraulischen Klinker zuzugeben und gemeinsam zu vermahlen, auf diese Weise kann eine weitere Energieeinsparung und eine reduzierte CO₂-Emission erreicht werden.
In der DE-C2-33 10 129 wird ein Verfahren zur Herstellung von unterschiedlichen hydraulischen Bindemitteln aus gemeinsamen Rohmaterialien in einem Brennprozess beschrieben, wobei ein Teilstrom des Gas-/Feststoff-Stromes im Bereich des Calcinators abgezeigt wird.
Aus der DE-A1-34 12 357 ist eine Bindemittelzusammensetzung bekannt, bei der entsäuertes Zementrohmehl mit einem latent hydraulisch erhärtenden Stoff, wie Hochofenschlacke, insbesondere Hüttensand, vermischt wird.
Ein schnell härtendes hydraulisches Bindemittel ist ferner aus der DE-T2-693 15 078 bekannt, das durch eine Mischung aus natürlichem Zement mit natürlichen oder künstlichen Puzzolanen, wie Industrieabfällen, insbesondere Kieselsäuredämpfen, gebildet wird.
Es stehen aber leider nicht überall ausreichend große Mengen an latent hydraulischen Stoffen zur Verfügung, die es gestatten, solche Zemente herzustellen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung von Zement anzugeben, die auch in solchen Fällen eine Einsparung von Wärmeenergie und eine Verminderung der CO₂-Emission ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 16 gelöst.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Zement durch Verschnitt von hydraulischem Klinker und einem latent hydraulischen Mineralgemisch wird der hydraulische Klinker separat von latent hydraulischen Mineralgemisch gebrannt. Das latent hydraulische Mineralgemisch wird dabei durch Zusammenstellung gewünschter Rohmaterialien und anschließendem Brennen bzw. Schmelzen dieser Rohmaterialien und Kühlen hergestellt, wobei die bei der Herstellung des latent hydraulischen Mineralgemisches entstehenden Abgase einer CO₂-Aufbereitung und/oder einer CO₂-Lagerung und/oder CO₂-Nutzung/Verwertung zugeführt werden.
Da für das Brennen des latent hydraulischen Mineralgemisches erheblich weniger Wärmeenergie eingesetzt werden muss als beim Brennen von reinem Portland-Zementklinker, kann auf diese Weise eine Senkung des Energiebedarfs und eine Verminderung der CO₂-Emissionen auch dann erreicht werden, wenn keine Hochofenschlacke oder andere latent hydraulischen Stoffe vorliegen.
Die erfindungsgemäße Anlage zur Herstellung von Zement gemäß dem oben beschriebenen Verfahren besteht im Wesentlichen aus wenigstens einem Ofen zum Brennen des hydraulischen Klinkers und einem Reaktor zum Brennen und/oder Schmelzen des latent hydraulischen Mineralgemisches, Mittel zum Zusammenführen des hydraulischen Klinkers und des separat davon hergestellten latent hydraulischen Mineralgemisches, einer Zerkleinerungseinrichtung zum gemeinsamen oder voneinander getrennten Zerkleinern des hydraulischen Klinkers und des latent hydraulischen Mineralgemisches sowie einer CO₂-Aufbereitungseinrichtung und/oder einer Einrichtung zur CO₂-Lagerung und/oder einer Einrichtung zur CO₂-Nutzung/Verwertung des bei der Herstellung des latent hydraulischen Mineralgemisches entstehenden Abgases.
Weitere Ausgestaltung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die Rohmaterialien für das latent hydraulische Mineralgemisch vor dem Brenn- und/oder Schmelzprozess separat von den Rohmaterialien für den hydraulischen Klinker vorgewärmt. Weiterhin wird zumindest eine Teilmenge der vorgewärmten Rohmaterialien vorcalcinert.
Der hydraulische Klinker und das latent hydraulische Mineralgemisch können entweder getrennt voneinander oder gemeinsam zerkleinert werden. Je nachdem werden sie nach bzw. vor der Zerkleinerung miteinander vermischt.
Beim Brenn- und Schmelzprozess des latent hydraulischen Mineralgemisches besteht insbesondere die Möglichkeit, das Mineralgemisch in ähnlicher Art und Weise wie den hydraulischen Klinker zu brennen, wobei aber andere Temperaturen zur Anwendung kommen, oder man nutzt, wie beim bekannten Hochofenprozess, eine Schmelze, über der sich schwimmende Schlacke bildet. In diesem Fall wird jedoch 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 das latent hydraulische Mineralgemische 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.
Erfindungsgemäß wird somit nicht auf Industrieabfälle zurückgegriffen, sondern das latent hydraulische Mineralgemisch wird durch gezielte Zusammenstellung gewünschter Rohmaterialien und anschließendes Brennen bzw. Schmelzen dieser Rohmaterialien und Kühlen hergestellt. Auf diese Weise kann der Anteil des latent hydraulischen Mineralgemisches im Zement erhöht werden, wobei neben einer Einsparung von Wärmeenergie auch eine entsprechende Verminderung der CO₂-Emission erreicht wird. In dem das Abgas bei der Herstellung des latent hydraulischen Mineralgemisches zudem einer CO₂-Aufbereitung, einer CO₂-Lagerung und/oder CO₂-Nutzung/Verwertung zugeführt wird, können die CO₂-Emissionen noch zusätzlich gemindert werden.
Ein weiteres Potenzial zur CO₂-Reduzierung bietet das Verfahren zur Herstellung des latent hydraulischen Mineralgemisches.
Als Verbrennungsluft beim Brenn- und/oder 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 latent hydraulischen Mineralgemisches Verbrennungsluft einsetzt, die einen Sauerstoffgehalt von wenigstens 75 mol%, vorzugsweise wenigstens 90 mol%, aufweist. Eine derartige Verbrennungsluft kann dabei sowohl beim Vorcalcinieren als auch beim Brenn- und/oder 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 Brenn- und/oder Schmelzprozess Wasserstoff als Brennstoff eingesetzt wird.
Das bei der Herstellung des latent hydraulischen Mineralgemisches 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 dann als Brennstoff im Brenn- bzw. Schmelzprozess genutzt werden.
Wird das latent hydraulische Mineralgemisch mittels Schmelzprozess hergestellt, wird die abgezogene Schlacke 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 latent hydraulischen Mineralgemischs verwendet, wobei zumindest ein Teil des gesamten latent hydraulischen Mineralgemischs 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.
Zweckmäßigerweise werden die bei der Herstellung von hydraulischem Klinker entstehenden Abgase entweder getrennt oder gemeinsam mit den Abgasen des latent hydraulischen Mineralgemisches einer CO₂-Aufbereitung, einer CO₂-Lagerung und/oder einer CO₂-Nutzung/Verwertung zugeführt.
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 Zement durch Verschnitt von hydraulischem Klinker und einem latent hydraulischen Mineralgemisch,
2 ein Blockschaltbild einer Anlage zur Herstellung von latent hydraulischem Mineralgemisch gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
3 ein Blockschaltbild einer Anlage zur Herstellung von latent hydraulischem Mineralgemisch gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
4 ein Blockschaltbild einer Anlage zur Herstellung von latent hydraulischem Mineralgemisch gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
5 ein Blockschaltbild einer Anlage zur Herstellung von latent hydraulischem Mineralgemisch gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel und
6 ein Blockschaltbild einer Anlage zur Herstellung von latent hydraulischem Mineralgemisch gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel.
Die in 1 dargestellte Anlage besteht im Wesentlichen aus einem ersten Verfahrensstrang 100 zur Herstellung eines hydraulischen Klinkers 21 und einem zweiten Verfahrensstrang 200 zur Herstellung eines latent hydraulischen Mineralgemisches 20. Der erste Verfahrensstrang 100 umfasst insbesondere einen Ofen 101 zum Brennen des hydraulischen Klinkers sowie einen nachgeschalteten Kühler 102. Die für die Herstellung des hydraulischen Klinkers 21 erforderlichen Rohmaterialien 104 werden dem Ofen 101 in geeigneter Form zugeführt. Vor dem eigentlichen Brennvorgang werden die Rohmaterialien in üblicher Art und Weise vorgewärmt und/oder vorcalciniert.
Auch beim zweiten Verfahrensstrang 200 ist ein Reaktor 3 zum Brennen und/oder Schmelzen vorgesehen, um durch Zusammenstellung gewünschter Rohmaterialien 6, anschließendem Brennen bzw. Schmelzen dieser Rohmaterialien und nachfolgendem Kühlen das latent hydraulische Mineralgemisch 20 herzustellen.
Weiterhin sind Mittel 103 zum Zusammenführen des hydraulischen Klinkers 21 und latent hydraulischen Mineralgemisches 20 vorgesehen. Diese Mittel können beispielsweise durch Dosierbandwagen gebildet werden. Das Verhältnis der beiden Komponenten kann dadurch den entsprechenden Anforderungen angepasst werden. Vorzugsweise liegt der Anteil des hydraulischen Klinkers im Bereich 30 bis 40 Gew.%, vorzugsweise im Bereich von 20 bis 30 Gew.%. Das entstehende Gemisch wird ggf. unter Zugabe weitere Additive 22, wie Gips und andere Bestandteile, in einer Zerkleinerungsanlage 5 zu Zement 23 zerkleinert.
Im Rahmen der Erfindung ist es selbstverständlich auch möglich, dass die beiden Bestandteile, d. h. der hydraulische Klinker und latent hydraulische Mineralgemisch, getrennt voneinander zerkleinert und anschließend in der gewünschten Zusammenstellung miteinander vermischt werden.
Das Vorsehen von zwei Brennaggregaten (Ofen 101 bzw. Reaktor 3) hat den Vorteil, dass diese an das zu brennende Gut angepasst werden können. So ist insbesondere der Energieaufwand zum Brennen der Rohmaterialien 6 für das latent hydraulische Mineralgemisch sehr viel geringer als beim Brennen der Rohmaterialien des hydraulischen Klinkers 21, da für die Entsäuerung der kalkärmeren Rohmaterialien 6 weniger Wärmeaufwand erforderlich ist. Das latent hydraulische Mineralgemisch weist vorzugsweise einen Bestandteil von 30 bis 40 Gew.% CaO auf während der entsprechende Bestandteil an CaO beim hydraulischen Klinker vorzugsweise zwischen 60 bis 70 Gew.% beträgt.
Wird der hydraulische Klinker 21 und das latent hydraulische Mineralgemisch 20 in einem Verhältnis 1:3 miteinander vermischt, kann der Wärmebedarf gegenüber einem aus reinem hydraulischen Klinker hergestellten Zement um ca. 30% reduziert werden. Noch stärker wird dabei die Emission von CO₂ aus CaCO₃ und CO₂ aus der Brennstoffverbrennung reduziert. Dadurch ergeben sich große Vorteile für die Wärmewirtschaft und eine deutlich reduzierte Umweltbelastung.
Um die CO₂-Emissionen noch weiter zu reduzieren können in den beiden Verfahrenssträngen 100 bzw. 200 zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden, die im Folgenden anhand des Verfahrenstranges 200 für die Herstellung des latent hydraulischen Mineralgemisches näher erläutert werden. Wenngleich der Reaktor 3 zum Brennen und/oder Schmelzen des latent hydraulischen Mineralgemisches in den 2 bis 6 als Schmelzreaktor 3 ausgebildet ist, kann stattdessen auch ein völlig anders ausgebildeter Brennofen zur Anwendung kommen.
Die in 2 dargestellte Anlage zur Herstellung von latent hydraulischem Mineralgemisch 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.
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 wird vorzugsweise durch reinen Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter Verbrennungsluft gebildet.
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.
Das so hergestellte, überwiegend amorphe, latent hydraulische Mineralgemisch 20 wird dann in der Zerkleinerungsanlage 5 fein zerkleinert, wobei die Zerkleinerung des latent hydraulischen Mineralgemisches 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 an latent hydraulischem Mineralgemisch abgezogen. Bei separater Zerkleinerung werden die Bestandteile des Zements in einem Mischer zu Zement homogenisiert.
Die in 2 gezeigt Anlage zur Herstellung von latent hydraulischem Mineralgemisch sieht weiterhin eine Luftzerlegungsanlage 25 und eine CO₂-Aufbereitungseinrichtung 26 vor. Weiterhin umfasst sie 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 nach dem Vorwärmer 1 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 zweiten 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 im bereits 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 Vorwärmer, 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 kann 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 dem 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 latent hydraulischem Mineralgemisch wesentlich weniger CO₂-Emissionen hervorruft als die Klinkerherstellung, führt eine Erhöhung des latent hydraulischem Mineralgemischanteils 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 Herstellung des latent hydraulischen Mineralgemisches 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 latent hydraulischem Mineralgemisch 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 Brenn- bzw. 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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1741683 A2 [0003]
- DE 3310129 C2 [0006]
- DE 3412357 A1 [0007]
- DE 69315078 T2 [0008]

Claims

Verfahren zur Herstellung (23) von Zement durch Verschnitt von hydraulischem Klinker (21) und einem latent hydraulischen Mineralgemisch (20), wobei der hydraulische Klinker separat vom latent hydraulischen Mineralgemisch gebrannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das latent hydraulische Mineralgemisch (20) durch Zusammenstellung gewünschter Rohmaterialien (6) und anschließendem Brennen bzw. Schmelzen dieser Rohmaterialien und Kühlen hergestellt wird und die bei der Herstellung des latent hydraulischen Mineralgemisches entstehenden Abgase (14) einer CO₂-Aufbereitung und/oder einer CO₂-Lagerung und/oder einer CO₂-Nutzung/Verwertung zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohmaterialien (6) für das latent hydraulische Mineralgemisch (20) vor dem Brenn- und/oder Schmelzprozess separat von den Rohmaterialien (104) für den hydraulischen Klinker (21) vorgewärmt werden und zumindest eine Teilmenge vorcalciniert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Klinker und das latent hydraulische Mineralgemisch (20) getrennt voneinander zerkleinert und anschließend zu Zement (23) vermischt oder gemeinsam zerkleinert werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das vorgewärmte/vorcalcinierte Rohmaterial (8) in feinkörniger Form dem Brenn- und/oder Schmelzprozess zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung des latent hydraulischen Mineralgemisches (20) und/oder des hydraulischem Klinkers (21) Verbrennungsluft eingesetzt wird, die einen Sauerstoffgehalt von wenigstens 75 mol% aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Brenn- und/oder Schmelzprozess Wasserstoff als Brennstoff (15) eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohmaterialien (6) für das latent hydraulische Mineralgemisch (20) in wenigstens zwei Teilmengen (6a, 6b) separat voneinander vorgewärmt werden und wenigstens eine der Teilmengen (7a) vorcalciniert wird, bevor das Rohmaterial dem Brenn- und/oder Schmelzprozess zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Teilmenge (6a) mit Abgasen (10) aus dem Brenn- und/oder Schmelzprozess und die andere Teilmenge (6b) 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 latent hydraulischen Mineralgemisches (20) entstehende CO₂-haltige Abgas als Nährstoff einem Bioreaktor (35) zugeführt wird, in dem Pflanzen, insbesondere Algen, herangezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die so herangezogenen Pflanzen als Brennstoff im Brenn- und/oder Schmelzprozess genutzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Herstellung des latent hydraulischen Mineralgemisches (20) erforderliche Verbrennungsluft (12, 16) mittels entstehender Prozessgase vorgewärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Herstellung beider Stoffe entstehenden Abgase (14) gemeinsam oder getrennt voneinander einer CO₂-Aufbereitung, einer CO₂-Lagerung und/oder einer CO₂-Nutzung/Verwertung zugeführt werden.
Anlage zur Herstellung vom Zement gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch, wenigstens einen Ofen (101) zum Brennen des hydraulischen Klinkers (21) und einen Reaktor (3) zum Brennen und/oder Schmelzen des latent hydraulischen Mineralgemisches (20), Mittel (103) zum Zusammenführen des hydraulischen Klinkers (21) und des separat davon hergestellten latent hydraulischen Mineralgemisches (20), eine Zerkleinerungseinrichtung (5) zum gemeinsamen oder voneinander getrennten Zerkleinern des hydraulischen Klinkers und des latent hydraulischen Mineralgemisches sowie einer CO₂-Aufbereitungseinrichtung (26) und/oder einer Einrichtung zur CO₂-Lagerung und/oder einer Einrichtung zur CO₂-Nutzung/Verwertung des bei der Herstellung des latent hydraulischen Mineralgemisches entstehenden Abgases.
Anlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorwärmer (1) und ein Calcinator (2) zur Vorwärmung und Vorcalcination der für die Herstellung des latent hydraulischen Mineralgemisches (20) erforderlichen Rohmaterialien (6) vorgesehen ist.
Anlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Calcinator (2) und/oder der Ofen (101) zum Brennen des hydraulischem Klinkers und/oder der Reaktor (3) zum Brennen/Schmelzen des latent hydraulischen Mineralgemisches Mittel zum Zuführen von Verbrennungsluft (12, 16) mit einem Sauerstoffgehalt von wenigstens 75 mol% aufweist.
Anlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Vorwärmer (1a, 1b) für die Herstellung des latent hydraulischen Mineralgemisches (20) vorgesehen sind, wobei der eine Vorwärmer (1b) an eine Abgasleitung des Reaktors (3) zum Brennen und/oder Schmelzen des latent hydraulischen Mineralgemisches (20) und der andere Vorwärmer (1a) an eine Abgasleitung des Calcinators (2) angeschlossen ist.
Anlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage zur Herstellung vom Zement 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 Zement durchströmt wird.
Anlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die CO₂-Aufbereitungseinrichtung (26) eine Einrichtung (26a) zur Entfeuchtung und einen Verdichter umfasst.
Anlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die CO₂-Aufbereitungseinrichtung (26) weiterhin einen Entgaser (26c) aufweist.
Anlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die CO₂-Aufbereitungseinrichtung (26) eine Einrichtung (26e) zur CO₂-Wäsche umfasst.
Anlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenn- und/oder Schmelzreaktor (3) Mittel zum Zuführen von Wasserstoff aufweist.