DE102013006140A1

DE102013006140A1 - Verfahren zur thermischen Behandlung von mehlförmigen, carbonathaltigen Rohmaterialien zur Decarbonatisierung auch bei sehr hohen Kohlendioxidpartialdrücken insbesondere zur Produktion von Zementklinker

Info

Publication number: DE102013006140A1
Application number: DE102013006140.7A
Authority: DE
Inventors: Matthias Mersmann; Martin Weng; Matthias Schuhmacher
Original assignee: Aixergee GmbH
Current assignee: Aixergee GmbH
Priority date: 2013-04-10
Filing date: 2013-04-10
Publication date: 2014-10-16

Abstract

Zur Verringerung der CO2-Emission der Portlandzementklinkerproduktion wird vorgeschlagen, den thermischen Prozess so zu führen, dass ein Abgas entsteht, welches möglichst vollständig aus Kohlendioxid (CO2) besteht, welches in Folge abgeschieden, verdichtet und schließlich entsorgt oder einer weiteren Verwendung zugeführt werden kann. Um die notwendige Decarbonatisierung des Rohmaterials bei dem in dieser Verfahrensführung erhöhten CO2-Partialdruck im Gas nicht zum erliegen kommen zu lassen werden geeignete Maßnahmen vorgeschlagen, die prinzipiell über vier Wege wirken: 1. Erhöhung der Quervermischung durch geeignete Gestaltung der Strömungsgeometrie des Kalzinators 2. Einmischen und nachheriges Wiederabscheiden eines geeigneten Verdünnungsmediums. 3. Vorschaltung eines wegen höherer gasseitiger Transporteffizienz geeigneten Kalzinationsreaktors und dessen stofflicher und energetischer Integration in den Klinkerproduktionsprozess. 4. Veränderung der Gasführung innerhalb des Produktionsprozesses

Description

Aufgabenstellung:
Zur Verringerung der CO₂-Emission der Portlandzementklinkerproduktion wird vorgeschlagen, den thermischen Prozess so zu führen, dass ein Abgas entsteht, welches möglichst vollständig aus Kohlendioxid (CO₂) besteht, welches in Folge abgeschieden, verdichtet und schließlich entsorgt oder einer weiteren Verwendung zugeführt werden kann. Die in dem Produktionsprozess benötigte Wärme wird dabei durch Verbrennung eines Brennstoffes in einem mit Sauerstoff angereicherten Teilstrom des Prozessabgases bereitgestellt. Die Anwendung dieses insbesondere in der Kraftwerkstechnik auch unter der Bezeichnung „Oxyfuel” bekannten Verbrennungsverfahren zur Produktion von Zementklinker ist allerdings dadurch grundsätzlich erschwert, dass CO₂ im Abgas nicht nur durch die Oxidation des im Brennstoff enthaltenen Kohlenstoffes entsteht, sondern zusätzlich auch durch die Austreibung von CO₂ aus dem Rohmaterial. Folglich ergibt sich das Problem, dass einerseits das entstehende Abgas möglichst hochkonzentriert aus CO₂ bestehen soll und andererseits die Decarbonatisierung des Rohmaterials nicht aufgrund des hohen CO₂-Partialdruckes in der Gasphase zum Erliegen kommen darf.
In modernen Zementklinkerproduktionsanlagen wird die Decarbonatisierung des Rohmaterials üblicherweise in als Flugstromreaktoren ausgebildeten Kalzinatoren durchgeführt, die dem Sinterofen nachgeschaltet sind und mit dessen Abgas beschickt werden ( ). Dabei bilden die in Reihe geschalteten Prozesseinheiten Vorwärmer, Kalzinator, Ofen und Klinkerkühler einen Gegenstromprozess, in dem das Gas als Kühlluft dem Klinkerkühler zugeführt wird und danach im Ofen und im Kalzinator als Verbrennungsgas zur Verfügung steht und nachfolgend im Vorwärmer zur Erwärmung des gegenströmenden Rohmehls Verwendung findet. Das Rohmehl wird in Gegenrichtung strömend auf dem Vorwärmer aufgegeben und während des Durchlaufens des Produktionsverfahrens nacheinander erwärmt, dekarbonatisiert, gesintert und gekühlt. Bei Betrieb dieser Anlagen nach dem herkömmlichen Verfahren – dass heißt: bei Verbrennung mit Luft – stellt sich so im Kalzinator ein CO₂-Anteil im Gas von etwa 30% ein. Bei diesen Bedingungen herrscht noch keine nennenswerte Hemmung des gasseitigen Stofftransportes. Bei Betrieb einer solchen Anlage unter sogenannten oxyfuel-Bedingungen – das heißt: mit einem Gemisch aus CO₂ und O₂ als eintretendem Gas – stellt sich jedoch ein wesentlich höherer CO₂-Anteil im Gas ein. Der für den Stofftransport vom Partikel in das Gas maßgebliche Konzentrationsgradient sinkt damit entscheidend. Diese Transporthemmung führt zu einer Reduktion der Gesamtreaktionsgeschwindigkeit. Erfindungsgemäß wird der Produktionsprozess durch geeignete Maßnahmen adaptiert.
Lösungsansatz:
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und zweckdienliche Ausführungsformen für die Durchführung der Entsäurung von Zementrohmehl unter hohen CO₂-Partialdrücken in der Gasatmosphäre zu realisieren. Der Lösungsansatz basiert darauf, dass die gasseitige Transporthemmung des CO₂ vermindert wird. Die in der Zementindustrie eingesetzten Kalzinatoren arbeiten im Gegensatz zur Gesamtverschaltung als abgeschlossene Prozessstufe nach dem Gleichstromprinzip, bei dem das zu entsäuernde Rohmehl in gleicher Richtung mit dem es umgebenden Gas gemeinsam strömt ( ). Das aus dem Partikel ausgasende CO₂ verbleibt dabei in einer lokal hohen Konzentration in unmittelbarer Nähe zum Partikel. Da im Gleichstromreaktor die Quervermischung aufgrund niedriger Turbulenz gering ist, ist der Entgasungsprozess somit durch den gasseitigen CO₂-Transport begrenzt. Dieser Transport von der Grenzschicht in den Kern der Gasphase hinein wird beim herkömmlichen Produktionsverfahren durch einen hohen Konzentrationsunterschied unterstützt. Beim Betrieb mit hohen CO₂–Partialdrücken in der Gasphase ist dieser Konzentrationsunterschied allerdings nicht bzw. nicht in genügender Höhe vorhanden ( ). Bei Abwesenheit dieses Konzentrationsgradienten ist auch durch Erhöhung der Temperatur keine weitere Entgasung möglich, da das chemische Gleichgewicht bereits erreicht ist.
Zur Aufhebung der gasseitigen Transporthemmung werden Maßnahmen vorgeschlagen, die prinzipiell über vier Wege wirken:

1. Erhöhung der Quervermischung durch geeignete Gestaltung der Strömungsgeometrie. stellt 3 mögliche Ausführungsbeispiele dar.
2. Einmischen und nachheriges Wiederabscheiden eines geeigneten, im Betriebszustand gasförmigen Verdünnungsmediums. stellt einen prinzipiellen Verfahrensablauf unter Verwendung von Wasserdampf als Verdünnungsmittel dar. Die Verwendung weiterer oder anderer Verdünnungsmittel ist ebenfalls möglich. Nach Durchströmen des Kalzinators wird ein Teil des Mischgases oder das gesamte Mischgas aus dem Kalzinator abgezogen. Die Gastemperatur ist dabei noch so hoch, dass es zu keiner Kondensation kommt. Erst nach Abtrennung des Feststoffes aus dem Gasstrom erfolgt die Abtrennung des Verdünnungsmittels, in durch Kondensation. Nachfolgend wird das Verdünnungsmittel vorzugsweise wieder für eine erneute Einbringung in den Kalzinator aufbereitet – in durch erneute Verdampfung.
3. Vorschaltung eines wegen höherer gasseitiger Transporteffizienz geeigneten Kalzinationsreaktors und dessen stofflicher und energetischer Integration in den Klinkerproduktionsprozess. Dieser könnte als Wirbelschichtreaktor, als Fließbettreaktor, Festbettreaktor oder als Wanderrostreaktor ausgeführt sein.
4. Veränderung der Gasführung dergestalt, dass, anders als in der herkömmlichen Reihenfolge, das Gas nicht zunächst den Ofen durchströmt um im folgenden Kalzinator als eingehender Gasstrom zu wirken, sondern zunächst bei relativ geringem CO₂-Anteil den Kalzinator durchströmt und nachfolgend dem Ofen als eintretender Gastrom zugeführt wird ( ). Auf diese Weise kann der CO₂-Anteil des Gases im Kalzinator aufgrund des noch nicht durch die Verbrennung im Ofen aufgezehrten Sauerstoffanteils relativ niedrig gehalten werden, was den gasseitigen CO₂-Transport unterstützt.

Claims

Verfahren zur thermischen Behandlung von mehlförmigen carbonathaltigen Rohmaterialien insbesondere bei der Herstellung von Zementklinker aus Rohmehl, wobei das Rohmehl in einem mehrstufigen Prozess zunächst vorgewärmt, dann in einer mit Brennstoff versorgten Kalcinierstufe calciniert, dann in einer Brennstufe zu Zementklinker gesintert wird, der in einer Kühlstufe gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet dass als Oxidationsmittel für die Verbrennung der Brennstoffe nicht Luft, sondern mit Sauerstoff angereichertes rückgeführtes Abgas verwendet wird, so dass das entstehende Prozessabgas zum größten Teil aus Kohlendioxid besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kalzination des eingesetzten Rohmehls (das Austreiben von Kohlendioxid aus dem Rohmehl in die Gasphase) in einer Gasatmosphäre, deren Majoritätskomponente Kohlendioxid ist, unter direktem Kontakt des Feststoffes mit der auf die benötigte Prozesstemperatur erwärmten Gasphase durchgeführt wird.
Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2 unter Verwendung einer Verbrennung von Brennstoffen in derselben Gasatmosphäre zur Erzeugung der benötigten hohen Temperaturen.
Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2 unter Verwendung einer indirekten Wärmezufuhr über einen Wärmetauscher oder Heizaggregat in derselben Gasatmosphäre zur Bereitstellung der benötigten hohen Temperaturen.
Verfahren nach Ansprüchen 1.–4. wobei der gasseitige Stofftransport von Kohlendioxid durch Erhöhung der Quervermischung durch Einbauten in die Strömungsgeometrie erhöht wird.
Verfahren nach Ansprüchen 1.–4-, wobei der gasseitige Stofftransport von Kohlendioxid durch gestufte Gaseinmischung erhöht wird.
Verfahren nach Ansprüchen 1.–4. wobei die Kohlendioxidkonzentration in der Gasphase durch Einleiten eines Verdünnungsmediums abgesenkt wird und somit das treibende Konzentrationsgefälle in der Partikelgrenzschicht für den Transport des Kohlendioxids in der Gasphase erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Verdünnungsmedium nach durchgeführter Kalzination wieder vom Prozessabgas getrennt wird und danach ganz oder teilweise zur erneuten Verdünnung eingesetzt werden kann.
Verfahren nach Ansprüchen 6 und 7 nach dem als Verdünnungsmedium Wasser bzw. Wasserdampf verwendet wird.
Verfahren nach Ansprüchen 1.–4., wobei die Gasführung so gestaltet ist, dass das in den Prozess eintretenden Gas zunächst der Kalzinierstufe und einer evtl. nachgeschalteten Wärmetauscherstufe zugeführt wird und erst danach dem Ofen als Verbrennungsgas zugeführt wird und schlussendlich den Prozess Durchströmen des Ofens als Abgas verlässt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der dem Kalzinator zugeführte Gasstrom zuvor durch Wärmetausch mit einem anderen Enthalpiestrom des Verfahrens vorgewärmt wird.
Verfahren nach Ansprüchen 1.–4. wobei der Kalzinator der Klinkerproduktionslinie als Wirbelschichtreaktor, als Festbettreaktor, als Fließbettreaktor oder als Wanderrostreaktor ausgeführt wird.
Verfahren nach Ansprüchen 1.–4. wobei dem Kalzinator, wie er in der Zementherstellung üblicherweise verwendet wird, ein Reaktor vorgeschaltet wird, in dem höhere Strömungsturbulenz erzeugt wird und dementsprechend eine geringere Transporthemmung für das Kohlendioxid herrscht.
Verfahren nach Anspruch 13 wobei der vorgeschaltete Reaktor als ein Wirbelschichtreaktor ausgeführt ist.
Verfahren nach Anspruch 13 wobei der vorgeschaltete Reaktor derart in die Klinkerproduktionslinie nach Ansprüchen 1–4 integriert ist, dass sowohl Feststoff- als auch Gasströme so verschaltet sind, dass kein zusätzlicher Abgas- bzw. Feststoff-Abfallstrom entsteht.