DE102020200604A1

DE102020200604A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von Zementklinker

Info

Publication number: DE102020200604A1
Application number: DE102020200604.0A
Authority: DE
Inventors: Andreas Hoppe; Rodrigo Gomez; Jürgen Schneberger
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Current assignee: Thyssenkrupp Polysius De GmbH; ThyssenKrupp AG
Priority date: 2020-01-20
Filing date: 2020-01-20
Publication date: 2021-07-22

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Zementklinker, wobei die Vorrichtung einen Vorwärmer 50, einen Calcinator 60 und einen Kühler 70 aufweist, wobei die Vorrichtung eine Zuführung für Zementrohmaterial aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Zuführung für Zementrohmaterial und dem Vorwärmer 50 ein mechanischer Wirbelbettreaktor 30 angeordnet ist, wobei der Calcinator 60 direkt mit dem Kühler 70 verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Zementklinker ohne einen Drehrohrofen.
Aus der DE 27 26 138 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Zementklinker aus feuchtem agglomerierten Zementrohmaterial bekannt. Die Vorrichtung weist eine Vorwärmzone, eine Entsäuerungszone und eine Sinterzone auf.
Aus der DE 10 2017 202 824 A1 ist eine Anlage zur Herstellung von Zement, insbesondere Zementklinker, mit einem Vorwärmer, welche eine Mehrzahl von Zyklonen aufweist, einem Calcinator zur Entsäuerung und einem Drehrohrofen bekannt.
Im Zementprozess wird das mineralische Ausgangsmaterial zunächst vermahlen, anschließend im Vorwärmer vorgewärmt, im Calcinator entsäuert und anschließend im Ofen abschließend erhitzt. Das aus dem Ofen kommende Material wird im anschließenden Kühler abgekühlt.
Ein übliches Problem ist es, dass es zu Materialablagerungen im Bereich des Vorwärmers kommt. Diese Materialablagerungen entstehen insbesondere durch Staub, sehr feinkörnige Material, das beim Vermahlen des mineralischen Ausgangsmaterials entsteht. Um diese Materialablagerungen zu entfernen, müssen die betroffenen Anlagenteile unter teilweise gefährlichen Arbeitsbedingungen gereinigt werden. Dazu muss der Ofen gestoppt werden.
Aus der EP 3 476 812 A1 ist eine Methode zur Trocknung von granuliertem Material bekannt.
Aus der EP 0 500 561 B1 ist eine Vorrichtung zum Mischen und thermischen Behandeln von Feststoffpartikeln mit einem im Wesentlichen horizontal angeordnetem Behälter bekannt. Aus der DE 1 051 250 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Mischen von pulverförmigen oder feinkörnigen Massen mit Flüssigkeiten bekannt. Aus der DE 27 29 477 C2 ist ein pflugscharähnliches Mischwerkzeug für solche Vorrichtungen bekannt. Ein ähnliches Mischwerkzeug für solche Vorrichtungen ist auch aus der DE 197 06 364 C2 bekannt. Entsprechende Mischvorrichtungen werden von der Firma Gebrüder Lödige Maschinenbau GmbH unter der Bezeichnung PflugscharMischer angeboten und erzeugen in ihrem Inneren ein mechanisches Wirbelbett.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Zementprozess sowie eine Vorrichtung hierfür bereit zu stellen, welche auf einen Ofen verzichtet.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Vorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch das Verfahren mit den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von Zementklinker weist einen Vorwärmer, einen Calcinator und einen Kühler sowie eine Zuführung für Zementrohmaterial auf.
Erfindungsgemäß ist zwischen der Zuführung für Zementrohmaterial und dem Vorwärmer ein Mischer, beispielsweise und bevorzugt ein mechanischer Wirbelbettreaktor, angeordnet. Weiter ist der Calcinator direkt mit dem Kühler verbunden ist.
Durch die Verwendung des mechanischen Wirbelbettreaktors wurde festgestellt, dass eine extrem gleichförmige Agglomeration des Ausgangsmaterials erreicht wird. Dieses führt dazu, dass neben dem hervorragenden anhaftungsfreien Durchlaufen des Vorwärmers sowie des Calcinators auch eine extrem gute und vor allem gleichmäßige Erwärmung und damit bereits Umsetzung des Ausgangsmaterials ergibt. Es hat sich dadurch gezeigt, dass bereits nach dem Durchlauf durch den Calcinator das Ausgangsmaterial zu Zementklinker umgesetzt worden ist. Die Vorrichtung ist bevorzugt, um Belit-basierenden Klinker herzustellen. Vorteil gegenüber der Herstellung von insbesondere Alit-basierendem Klinker, für den zusätzlich ein zusätzlicher Ofen benötigt wird, ist der geringere Energiebedarf so wie die kürze Verweilzeit und der geringere Invest, was zu einem günstigeren Produkt führt. Hierdurch kommt es zu einer Einsparung sowohl beim Bau der Anlage, vor allem aber auch beim Betreiben.
Während in einem normalen Wirbelbettreaktor Gase eingesetzt werden, um einen Feststoff mit dem Gasraum zu vermischen und so zu fluidisieren sowie zu transportieren, wird in einem mechanischen Wirbelbettreaktor dieses rein mechanisch mithilfe eines Mischwerkzeugs erzielt.
Es hat sich gezeigt, dass der Effekt des mechanischen Wirbelbettreaktors ist, dass die sehr feinen Partikeln, welche beim Vermahlen entstehen, agglomerieren. Hierdurch wird eine Staubbildung in den folgenden Prozessschritten vermieden, da insbesondere besonders kleine Partikel sehr deutlich reduziert werden können. Hierdurch kommt es auch wesentlich weniger zum Verkleben von Material in Bereichen steigender Temperatur, beispielsweise und insbesondere an den Wänden des Vorwärmers.
Der Vorwärmer kann als Gleichstromvorwärmer ausgeführt sein. Hierbei werden Gas und Feststoff in die gleiche Richtung transportiert, während die Wärme vom Gas an den Feststoff übertragen wird. Ein Beispiel hierfür sind nacheinander geschaltete Zyklone. Der Wärmeübertrag erfolgt in den Verbindungen zwischen den Zyklonen im Gleichstrom, die Zyklone dienen dann zur Trennung von Gas und Feststoff.
Alternativ kann der Vorwärmer als Gegenstromvorwärmer ausgeführt sein. Ein entsprechnder Vorwärmer ist beispielsweise und insbesondere aus der DE 383 42 15 A1 bekannt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der mechanische Wirbelbettreaktor einen im Wesentlichen horizontal angeordneten Behälter auf. Entlang der Längsachse des Behälters ist mittig eine Welle angeordnet, wobei radial an der Welle Mischwerkzeuge angeordnet sind. Diese Mischwerkzeuge können im einfachsten Fall stabförmig und senkrecht auf der Welle angeordnet sein. Besonders bevorzugt sind die Mischwerkzeuge Pflugschar-förmig ausgebildet. Beispiele für Pflugschar-förmige Mischwerkzeuge können zum Beispiel der DE 27 29 477 C2 oder der DE 197 06 364 C2 entnommen werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der mechanische Wirbelbettreaktor wenigstens eine Fluidzuführung auf. Es können auch weitere Fluidzuführungen, insbesondere entlang der Transportrichtung des Materials, angeordnet sein. Besonders bevorzugt dient die Fluidzuführung zur Zuführung von Wasser. Wasser unterstützt die Agglomeration und führt so zu gleichmäßigeren Partikeln. Durch die Verringerung des Staubanteils wird ein Anhaften von Material in dem Vorwärmer besonders effizient vermieden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vor dem mechanischen Wirbelbettreaktor eine Fluidzuführung angeordnet. Diese kann zusätzlich oder alternativ zu einer Fluidzuführung im mechanischen Wirbelbettreaktor vorhanden sein.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der mechanische Wirbelbettreaktor eine Brennstoffzuführung aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann eine Brennstoffzuführung auch vor dem mechanischen Wirbelbettreaktor erfolgen. Hierdurch kann der Brennstoff in die durch Agglomeration im mechanischen Wirbelbettreaktor entstehenden Partikel eingebaut werden. Dieser Brennstoff entzündet sich in späteren Prozess nach Überschreiten seiner Zündtemperatur, beispielsweise im Calcinator, und führt so zu einem wesentlich gezielteren Aufheizen des Rohmaterials.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem mechanischen Wirbelbettreaktor und dem Vorwärmer ein erster Steigrohrtrockner angeordnet. Der Steigrohrtrockner hat zwei Vorteile. Zum einen kann insbesondere Wasser, welches bei der Agglomeration im mechanischen Wirbelbettreaktor verwendet wird, ausgetragen werden. Zum anderen kann das Material auf die Eingangshöhe des Vorwärmer transportiert werden. Des Weiteren kann der Steigrohrtrockner auch zur Einstellung der Partikelgröße eingesetzt werden. Über die Gasgeschwindigkeit und gegebenfalls über einen Abscheidezyklon am oberen Ende des Steigrohrtrockners können insbesondere zu große Partikel abgetrennt und insbesondere zur erneuten Mahlung zurückgeführt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Zuführung für Zementrohmaterial eine Mühle auf.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einem Steigrohrtrockner und einer Mühle weist die Vorrichtung eine Rückführung für grobes Material von der Unterseite des Steigrohrtrockners zur Mühle auf. Hierdurch können Partikel, welche entweder nicht ausreichend fein vermahlen sind oder im mechanischen Wirbelbettreaktor zu zu großen Partikeln agglomeriert sind, entfernt und der Mahlung wieder zugeführt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht der Kühler aus ein bis acht Zyklonen. Zyklone erlauben eine schnelle und effiziente Abkühlung des Zementklinkers. Gleichzeit wird im Gegenstrom das Prozessgas erwärmt. Beispielsweise kann auch unter Sauerstoffabschluss bis unter 600 °C gekühlt werden, beispielsweise mittels wassergekühlten Kühlschnecken.
Bevorzugt sind der Vorwärmer und der Kühler aus Zyklonen aufgebaut. Hierdurch ist ein gleichartiger Materialdurchsatz sowohl beim Erwärmen als auch beim Abkühlen des Materials zu erreichen und so ein gleichmäßiger Stofffluss zu realisieren.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der Zuführung für Zementrohmaterial und dem mechanischen Wirbelbettreaktor eine Homogenisierungsstufe angeordnet. In der Homogenisierungsstufe werden vorzugsweise verschiedene Ausgangsstoffe zusammengebracht und vermischt. Ausgangsstoffe sind insbesondere und zum Beispiel Kalk (CaCO₃), Siliciumdioxid (SiO₂), auch als Sand oder Kies, Silicate, Tone, Aluminiumoxid und/oder Eisenerz aber auch Wasser.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von Belit, auch Dicalciumsilicat, C₂S oder 2 CaO SiO₂.
Im Unterschied zu Alit, oder Tricalciumsilicat, C₃S oder 3 CaO · SiO₂ sind hier bereits geringere Brenntemperaturen und Zeiten ausreichend zur Herstellung des Zementklinkers. Gleichzeitig wird durch das rasche Abkühlen in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein ungewolltes Weiterbrennen und so eine Erzeugung von Alit verhindert und somit Inhomogenitäten bei der Herstellung von Belit vermieden.
Da üblicherweise weitere Zuschlagsstoffe, wie Eisenoxid oder Aluminiumoxid als Edukt hinzugegeben werden, wird üblicherweise kein reines Alit oder Belit als Zementklinker erzeugt, was auch nicht gewünscht ist. Im Sinne der Erfindung wird verstanden, dass Belit die anteilmäßig häufigste Phase des Produkts ist, also keine andere Phase einen höheren Anteil in Massen-% aufweist. Beispielsweise und bevorzugt ist der Anteil von Belit wenigstens 50 Massen-%.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Zementklinker, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

a) Mahlen des Zementrohmaterial in einer Mühle,
b) Vorwärmen in einem Vorwärmer,
c) Entsäuern in einem Calcinator,
d) Kühlen in einem Kühler.

Das Zementrohmaterial durchläuft diese Schritte chronologisch nacheinander und wird so zu Zementklinker verarbeitet. Rein praktisch laufen diese Prozesse in einem kontinuierlichen Prozess üblicherweise parallel nebeneinander ab.
Erfindungsgemäß folgt der Schritt d) direkt auf den Schritt c). Weiter wird zwischen Schritt a) und Schritt b) der folgende Schritt durchgeführt:

e) Agglomerierten des gemahlenen Materials, sodass 90 % aller Partikel eine Partikelgröße zwischen 200 µm und 5 mm aufweisen.

Vorteilhafter Weise kann so das Ausgangsmaterial sehr fein vermahlen werden. Üblicherweise muss ein Kompromiss eingegangen werden. Je feiner die Materialien vermahlen werden, umso besser und homogener läuft der Brennprozess. Zu kleine Partikel sind jedoch für den Prozess störend, wie bereits ausgeführt. Da aber die Partikel nicht in der feinen gemahlenen Größe in das Verfahren eingebracht werden, entfällt diese Limitierung.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird Schritt e) in einem mechanischen Wirbelbettreaktor durchgeführt.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung wird Schritt e) mit einem Granulierteller durchgeführt.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung wird Schritt e) mit einer Gutbettwalzenmühle durchgeführt.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung wird Schritt e) mit einer Bricketierpresse durchgeführt.
Für die Herstellung von Zementklinker ist der ungewöhnlich, dass direkt nach dem Entsäuern in einem Calcinator der gewonnene Zementklinker direkt gekühlt wird. Üblicherweise erfolgt hier das eigentlich im Brennen des Ausgangsprodukts zum fertigen Zementklinker erst in einem Drehrohrofen, welcher sich an den Calcinator anschließt.
Besonders bevorzugt dient das Verfahren zur Herstellung von Zementklinker, dessen Hauptbestandteil Belit ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird zwischen Schritt e) und Schritt b) der folgende Schritt durchgeführt:

f) Trocknen in einem ersten Steigrohrtrockner.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird vor und/oder in Schritt e) ein Fluid, insbesondere Wasser, zugegeben. Hierdurch kann die Agglomeration im mechanischen Wirbelbettreaktor unterstützt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird vor und/oder in Schritt e) ein Brennstoff, insbesondere ein Brennstoff mit einer Zündtemperatur von 500 °C bis 650 °C, zugegeben. Beispielsweise ist der Brennstoff Kohle, Kohlenstaub oder Zellulose. Durch die Zündung im Temperaturbereich 500 °C bis 650 ° erfolgt ein lokales Aufheizen im Calcinator. Hierdurch wird eine extrem schnelle und evidente Umsetzung der Rohstoffe zum Zementklinker erreicht.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt ein nasses Vermahlen in Schritt a) und ein anschließendes Agglomerieren in Schritt e) ohne eine vorhergehende Trocknung.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung derart durchgeführt, dass der Stickstoffanteil der Gasphase im Vorwärmer kleiner als 30 Vol.-%, bevorzugt kleiner als 15 Vol.-%, besonders bevorzugt kleiner als 5 Vol.-% beträgt. Bevorzugt wird dieses erreicht, in dem die Verbrennung mit sauerstoffangereicherter Luft durchgeführt wird. Vorteil ist, dass auf Grund der deutlich verringerten Gasmenge eine anschließende Abtrennung des entstehenden Kohlenstoffdioxids aus der Gasphase erleichtert ist. Dieses ist vorteilhaft mit der Agglomeration des Ausgangsmaterials, da Stäube bei der Abscheidung des Kohlenstoffdioxids störend sind. Stäube werden aber durch das erfindungsgemäße Verfahren gerade besonders stark reduziert. Die Abscheidung des Kohlenstoffdioxids dient dazu, die Emission klimaschädlicher Gase zu vermeiden. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die Verwendung von sauerstoffangereicherter Luft der Calcinator insbesondere 50 °C bis 100 °C heißer betrieben werden kann. Die dadurch verstärkte Ansatzneigung des Materials wird durch den Einsatz von agglomeriertem Material umgangen.
Nachfolgend ist die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das Verfahren anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

1 Erste Vorrichtung zur Herstellung von Zementklinker ohne Ofen
2 Zweite Vorrichtung zur Herstellung von Zementklinker ohne Ofen

In 1 ist eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von Zementklinker schematisch dargestellt. Das Ausgangsmaterial wird in einer Mühle 10 gemahlen. Die verschiedenen Ausgangsstoffe werden in einer Homogenisierungsstufe 20 vermischt und dem mechanischen Wirbelbettreaktor 30 zugeführt. Anschließend wird das Material in einem Steigrohrtrockner 40 gefördert. Von dort gelangt das Material in den Vorwärmer 50 und anschließend in den Calcinator 60. Der Calcinator 60 wird mittels des Brenners 80 beheizt. Der fertige Zementklinker gelangt aus dem Calcinator 60 in den Kühler 70. Besonders bevorzugt sind sowohl der Vorwärmer 50 als auch der Kühler 70 als eine Kaskade von 2 bis 8 Zyklonen ausgeführt.
Die in 2 gezeigte zweite Vorrichtung unterscheidet sich von der in 1 gezeigten ersten Ausführung lediglich dadurch, dass aus bautechnischen Gründen der Kühler 70 in einen ersten Teilkühler 72 und einen zweiten Teilkühler 74 unterteilt ist, wobei das Material zwischen dem ersten Teilkühler 72 und dem zweiten Teilkühler 74 mittels eines Steigrohrs 90 gefördert wird. Insbesondere besteht der ersten Teilkühler 72 aus einem Zyklon und der zweiten Teilkühler 74 aus ein bis acht Zyklonen.
Bezugszeichenliste

10: Mühle
20: Homogenisierungsstufe
30: mechanischer Wirbelbettreaktor
40: Steigrohrtrockner
50: Vorwärmer
60: Calcinator
70: Kühler
72: erster Teilkühler
74: zweiter Teilkühler
80: Brenner
90: Steigrohr

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2726138 A1 [0002]
DE 102017202824 A1 [0003]
EP 3476812 A1 [0006]
EP 0500561 B1 [0007]
DE 1051250 [0007]
DE 2729477 C2 [0007, 0017]
DE 19706364 C2 [0007, 0017]
DE 3834215 A1 [0016]

Claims

Vorrichtung zur Herstellung von Zementklinker, wobei die Vorrichtung einen Vorwärmer (50), einen Calcinator (60) und einen Kühler (70) aufweist, wobei die Vorrichtung eine Zuführung für Zementrohmaterial aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Zuführung für Zementrohmaterial und dem Vorwärmer (50) ein Mischer angeordnet ist, wobei der Calcinator (60) direkt mit dem Kühler (70) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Mischer und dem Vorwärmer (50) ein erster Steigrohrtrockner (40) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung für Zementrohmaterial eine Mühle (10) aufweist, wobei die Vorrichtung eine Rückführung für grobes Material von der Unterseite des ersten Steigrohrtrockners (40) zur Mühle (10) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer ein mechanischer Wirbelbettreaktor (30) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Wirbelbettreaktor (30) eine Fluidzuführung aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Wirbelbettreaktor (30) einen im Wesentlichen horizontal angeordneten Behälter aufweist, wobei entlang der Längsachse des Behälters mittig eine Welle angeordnet ist, wobei radial an der Welle Mischwerkzeuge angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischwerkzeuge Pflugschar-förmig ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Zuführung für Zementrohmaterial und dem mechanischen Wirbelbettreaktor (30) eine Homogenisierungsstufe (20) angeordnet ist.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Herstellung von Belit.
Verfahren zur Herstellung von Zementklinker, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Mahlen des Zementrohmaterial in einer Mühle (10), b) Vorwärmen in einem Vorwärmer (50), c) Entsäuern in einem Calcinator (60), d) Kühlen in einem Kühler (70), dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt d) direkt auf den Schritt c) folgt, wobei zwischen Schritt a) und Schritt b) der folgende Schritt durchgeführt wird: e) Agglomerierten des gemahlenen Materials, sodass 90 % aller Partikel eine Partikelgröße zwischen 200 µm und 5 mm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Agglomerieren in Schritt e) Materials in einem mechanischen Wirbelbettreaktor (20) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Schritt e) und Schritt b) der folgende Schritt durchgeführt wird: f) Trocknen in einem ersten Steigrohrtrockner (40).
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass vor und/oder in Schritt e) ein Fluid, insbesondere Wasser, zugegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass vor und/oder in Schritt e) ein Brennstoff, insbesondere ein Brennstoff mit einer Zündtemperatur von 500 °C bis 650 °C, zugegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) sauerstoffangereicherte Luft zugeführt wird.