DE102022130038A1

DE102022130038A1 - Verfahren zum Sintern von Zementklinker

Info

Publication number: DE102022130038A1
Application number: DE102022130038.2A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt Erfinder
Original assignee: KHD Humboldt Wedag AG
Current assignee: KHD Humboldt Wedag AG
Priority date: 2022-11-14
Filing date: 2022-11-14
Publication date: 2024-05-16

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drehrohrofen (100) zur Wärmebehandlung von körnigen Stoffen, aufweisend mindestens einen Brenner (110) zum Erzeugen von Wärme, der von einer Seite in den Drehrohrofen (100) hineinragt.Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der mindestens eine Brenner (110) ein elektrisch betriebener Plasmabrenner ist, der einen Plasmakegel (130) erzeugt, der in den Drehrohrofen (100) hineinragt, und der mit einer Vorrichtung (110) zum Injizieren eines partikulären Strahlungsstoffes (140) in den Plasmakegel (130) zusammen wirkt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehrohrofen zur Wärmebehandlung von körnigen Stoffen, aufweisend mindestens einen Brenner zum Erzeugen von Wärme, der von einer Seite in den Drehrohrofen hineinragt.
Zum Sintern von Zementklinker aus gemahlenem, entsäuertem Kalkstein und aus Silikatgestein ist es bekannt, in einem Drehrohrofen mit einer Brennerflamme Temperaturen von ca. 1.450°C zu erzeugen. Das zuvor genannte Gesteinsmehl rollt im Drehrohrofen langsam unter der in der Regel weit in den Drehrohrofen reichenden Brennerflamme hindurch und wird dabei in einer oxidativen Umgebung im Wesentlichen durch die Strahlungswärme der Brennerflamme erhitzt. Bei dieser Erhitzung des Gesteinsmehls findet das Sintern zu Zementklinker statt. Das Sintern stellt eine Festkörperreaktion dar, bei der sich unterschiedliche Calciumsilikatphasen bilden, die den Zementklinker darstellen. Bei Stoffumsätzen von bis zu 10.000 Tonnen pro Tag ist der Energieumsatz der Brennerflamme sehr hoch. Werden zum Erzeugen der Brennerflamme fossile Brennstoffe eingesetzt, so setzt alleine der Betrieb der Brennerflamme eine große Menge (CO₂) frei. Das Freisetzen große Mengen Kohlendioxid (CO₂) ist als ursächlich für eine Erderwärmung erkannt worden. Daher ist man bestrebt, die Kohlendioxid-Bilanz beim Sintern von Zementklinker zu Gunsten eines geringeren Kohlendioxid-Ausstoßes zu verändern. Da durch die übliche Verbrennung fossiler Brennstoffe neben dem Kohlendioxid (CO₂) aus dem Brennstoff ebenfalls für eine nachherige Abtrennung störende weitere Verbrennungsrückstände freigesetzt werden, wird die nachfolgende Abtrennung von Kohlendioxid (CO₂) aus dem Abgasstrom einer konventionell mit fossilem Brennstoff betriebenen Sinter-Anlage erheblich erschwert und damit kostenaufwendig. Als alternative Energiequelle zu fossilen Brennstoff-Brennern bieten sich Plasmabrenner an. Plasmabrenner erzeugen einen elektrischen Lichtbogen, durch den ein Gas geblasen wird. Das dabei ionisierte und stark erhitzte Gas tritt aus dem Brenner als Plasmakegel aus und wirkt dabei wie ein Flammkegel. Zum Betrieb des Plasmabrenners wird der elektrische Lichtbogen aus erneuerbaren Energien, wie zum Beispiel Windkraft oder Wasserkraft betrieben. Die chemische Zusammensetzung des Plasmakegels unterscheidet sich stark von der Zusammensetzung eines brennstoffbetriebenen Flammkegels. In einem Flammkegel einer Brennstoff-Flamme befindet sich Kohlenstoff, der im äußeren, oxidativen Flammkegel eine helle, leuchtende Flamme bildet. Dieser helle, leuchtende Teil der Flamme erzeugt die notwendige Strahlungswärme zum Sintern des zuvor genannten Gesteinsmehls zu Zementklinker. Ein innerer, reduktiver Teil des Flammkegels, der nur gering leuchtet, erzeugt hingegen mehr Wärme. Das Leuchten der äußeren Flamme wird durch die Wärme verstärkt. Die Vorgänge in einer Brennerflamme sind wohlbekannt. Beim Einsatz eines Plasmakegels fehlt der leuchtende, äußere Kegel. Die Wärme des Plasmakegels wird auf das eingeblasene Gas übertragen. Eine Abgabe der Wärmeenergie in Form von Wärmestrahlung steht einer Brennerflamme hinterher. Der Einsatz eines Plasmabrenners ist daher zum Erzeugen von Strahlungswärme weniger gut geeignet.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Drehrohrofen zur Wärmebehandlung von körnigen Stoffen zur Verfügung zu stellen, der einen geringeren Kohlendioxid-Ausstoß aufweist als ein Brennstoffbrenner mit vergleichbarer Heizleistung.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch einen Drehrohrofen mit den Merkmalen nach Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen zu Anspruch 1 angegeben.
Der Gedanke der Erfindung basiert auf der überraschenden Erkenntnis, dass Injizieren eines partikulären Strahlungsstoffes in den Plasmakegel die Wärmeabstrahlung des Plasmabrenners in großem Maße verstärkt. Unter einem Strahlungsstoff wird ein partikulärer Stoff verstanden, der in der Wärme des Plasmakegels selbst nicht verbrennt und der durch die Wärme selbst Infrarotstrahlung, somit Wärmestrahlung, erzeugt. Es sind anorganische Leuchtstoffe bekannt, die selbst bei Anregung mit Licht mit kürzerer Wellenlänge bei längeren Wellenlängen leuchten. Es sind auch Upconversions-Leuchtstoffe bekannt, die mit weit geringerer Effizienz Licht aus längeren Wellenlängen zu Licht mit kürzeren Wellenlängen konvertieren. Solche Stoffe zeigen in der Regel auch eine Lichtemission bei Anregung mit Wärme, aber solche Leuchtstoffe überstehen in der Regel nicht die Bedingungen in einem Plasmabrenner. Darüber hinaus sind Leuchtstoffe bekannt, sie auf seltenen Erden basieren. Diese erzeugen ein sehr helles Licht im visuellen Bereich, wenn diese thermisch angeregt werden. Dabei handelt es sich um einen Upconversions-Prozess. Auch diese Stoffe sind für eine Erhöhung der Wärmeabstrahlung eines Plasmabrenners nicht geeignet, weil die Abstrahlung im thermischen Bereich, also im Infrarotbereich, stattfinden soll. Als Strahlungsstoffe werden solche Stoffe verstanden, die selbst bei Erwärmung Infrarotstrahlung abgeben. Hierzu zählen insbesondere Silikate und anorganische Oxide. Zum Einsatz zum Sintern von Zementklinker hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn als Strahlungsstoff Rohmehl aus der Zementklinkerherstellung, oder aber entsäuertes Rohmehl aus der Zementklinkerherstellung verwendet wird. Wird ein Plasmakegel eines Plasmabrenners mit diesen Strahlungsstoffen beaufschlagt, so bildet sich ein Optimum zwischen einer abkühlenden Wirkung auf den Plasmakegel durch zu viel Strahlungsstoff, der in den Plasmakegel injiziert wird, und zu wenig Strahlungsstoff, der zu wenig der möglichen und zur Verfügung stehenden, thermischen Energie in Infrarotstrahlung wandelt. Die ideale Menge der Injektion in den Plasmakegel hängt von verschiedenen Parametern ab. Zum Einen ist das Verhältnis der Partikelgröße zur Plasmageschwindigkeit maßgebend für die ideale Strahlungsstoffmenge in dem Plasmakegel. Des Weiteren sind auch die Strömungsverhältnisse in dem Plasmakegel ursächlich für eine optimale Mengenbeaufschlagung, bei der am meisten Infrarotstrahlung bei gegebener elektrischer Energie, die im Plasmabrenner umgesetzt wird, abgegeben wird. Schließlich ist noch die Art der Injektion in den Plasmakegel ursächlich für eine optimale Mengenbeaufschlagung.
Zum Injizieren von Strahlungsstoff in den Plasmakegel wäre es prinzipiell möglich, den Strahlungsstoff mit dem in den Plasmabrenner injizierten Gas in den Plasmabrenner aufzugeben. Dabei ist es aber nicht zu verhindern, dass der Strahlungsstoff in den Lichtbogen des Plasmabrenners gelangt und dabei einerseits die Stabilität des Plasmabrenners beeinflusst und andererseits, dass der Strahlungsstoff die Elektroden abträgt. Eine andere Möglichkeit ist, dass der Strahlungsstoff von außen in den Kegel injiziert wird. Dazu können konzentrisch um den Ausgang des Plasmabrenners angeordnete Düsen vorhanden sein, die den Strahlungsstoff seitlich in den Plasmakegel injizieren. Der Strahlungsstoff kann aber auch nur durch eine Düse von oberhalb oder von unterhalb in den Plasmakegel injiziert werden, wenn der Plasmabrenner einen im Wesentlichen horizontal ausgerichteten Plasmakegel ausbildet.
Um ein starkes Abkühlen des Plasmas durch Injektion des Strahlungsstoffes zu vermeiden, kann vorgesehen sein, dass eine Vorrichtung den Strahlungsstoff vor Injektion erwärmt. Es ist aber auch möglich, den Strahlungsstoff mit einem vorhandenen Heißgas pneumatisch in den Plasmakegel zu fördern.
Da die optimale Menge an Strahlungsstoff, die in den Plasmakegel pro Zeiteinheit aufgegeben wird, von verschiedenen Parametern abhängt, ist es vorteilhaft, wenn vorgesehen ist, dass eine Regelvorrichtung mit einer Dosiervorrichtung zum Dosieren des Strahlungsstoffes verbunden ist, wobei die Regelvorrichtung mit einem Wärmestrahlungsdetektor zum Detektieren der vom Plasmakegel abgestrahlten Wärme und mit einem Durchflussmengendetektor zum Messen der Menge des Strahlungsstoffes verbunden ist, und die Regelvorrichtung die Menge des in den Plasmakegel injizierten Strahlungsstoffes pro Zeiteinheit verringert, wenn der Wärmestrahlungsdetektor bei Zunahme des in den Plasmakegel injizierten Strahlungsstoffes eine Abnahme der Wärmestrahlung detektiert, und die Menge des in den Plasmakegel injizierten Strahlungsstoffes pro Zeiteinheit erhöht, wenn der Wärmestrahlungsdetektor bei Abnahme des in den Plasmakegel injizierten Strahlungsstoffes eine Abnahme der Wärmestrahlung detektiert.
Mit dem erfindungsgemäßen Drehrohrofen lassen sich insbesondere Zementklinker sintern, Titandioxid herstellen und Kalk brennen. Als Strahlungsstoff eignen sich jeweils die korrespondierenden Rohmaterialien und/oder die Endprodukte.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:

1 ein Drehrohrofen mit einem erfindungsgemäßen Plasmabrenner in einer ersten Ausgestaltung,
2 ein Drehrohrofen mit einem erfindungsgemäßen Plasmabrenner in einer zweiten Ausgestaltung,

In 1 ist ein erfindungsgemäßer Drehrohrofen 100 mit einem Plasmabrenner 110 in einer ersten Ausgestaltung dargestellt. Dabei dient der Drehrohrofen 100 zur Wärmebehandlung von körnigen Stoffen. Körnige Stoffe können Ausgangsstoffe sein wie entsäuertes Rohmehl für Zementklinker, Ausgangsstoff zur Herstellung von Titandioxid (Rutil) als Weißpigment, gebrannter Kalk, aber auch andere anorganische Stoffe, die üblicherweise in einem Drehrohrofen wärmebehandelt werden. Wie gattungsgemäße Drehrohröfen weist der hier gezeigte Drehrohrofen 100 mindestens einen Brenner 110 zum Erzeugen von Wärme auf, der von einer Seite in den Drehrohrofen 100 hineinragt. Dabei kann es sich auch um Zwillingsbrenner handeln oder um eine Brennerbatterie. Der hier gezeigte Brenner 110 ist ein Plasmabrenner, der einen Plasmakegel 130 erzeugt, wobei der Plasmakegel 130 in den Drehrohrofen 100 hineinragt. Um die Wärmestrahlung zu verstärken, die von dem Plasmakegel 130 ausgeht, ist vorgesehen, dass dieser mit einer Vorrichtung 120 zum Injizieren eines partikulären Strahlungsstoffes 140 in den Plasmakegel 130 zusammenwirkt. Die Zusammenwirkung von Brenner und Vorrichtung 120 zum Injizieren eines partikulären Strahlungsstoffes besteht darin, dass die Vorrichtung 120 zum Injizieren eines partikulären Strahlungsstoffes den Strahlungsstoff 140 in den Plasmakegel 130 transportiert. Dazu kann der Strahlungsstoff 140 durch Schütten gefördert werden. Es ist aber auch möglich, dass der Strahlungsstoff 140 pneumatisch gefördert wird. Schließlich ist es auch möglich, dass der Strahlungsstoff 140 durch Suspendieren in einem Heißgas als Strahlungsstoff-Gas-Suspension in den Plasmakegel 130 eingeblasen wird.
Um die optimale Menge an Strahlungsstoff 140 in den Plasmakegel 130 zu injizieren, ist ein eine Regelvorrichtung 200 als Teil des gesamten Drehrohrofens 100 mit einer Dosiervorrichtung 250 zum Dosieren des Strahlungsstoffes 140 verbunden. Die Regelvorrichtung 200 ist ihrerseits mit einem Wärmestrahlungsdetektor 210 zum Detektieren der vom Plasmakegel 130 abgestrahlten Wärme und mit einem Durchflussmengendetektor 220 zum Messen der Menge des Strahlungsstoffes 140 verbunden. Die so aufgebaute Regelvorrichtung 200 regelt über die Dosiervorrichtung 250 die Menge des in den Plasmakegel 130 injizierten Strahlungsstoffes 140 pro Zeiteinheit. Wenn der Wärmestrahlungsdetektor 210 bei Zunahme des in den Plasmakegel 130 injizierten Strahlungsstoffes 140 eine Abnahme der Wärmestrahlung detektiert, dann verringert die Regelvorrichtung 200 über die Dosiervorrichtung 250 die Menge des in den Plasmakegel 130 injizierten Strahlungsstoffes 140 pro Zeiteinheit. Wenn der Wärmestrahlungsdetektor 210 jedoch bei Abnahme des in den Plasmakegel 130 injizierten Strahlungsstoffes 140 eine Abnahme der Wärmestrahlung detektiert, dann erhöht die Regelvorrichtung 200 über die Dosiervorrichtung 250 die Menge des in den Plasmakegel 130 injizierten Strahlungsstoffes 140 pro Zeiteinheit. Der Strahlungsstoff 140 wird durch den Plasmastrahl im Plasmakegel 130 erwärmt, erzeugt dadurch Wärmestrahlung und fällt schließlich in das Gutbett des mit Wärme zu behandelnden Stoffes am unteren Rand des Drehrohrofens 100.
In 2 ist ein Drehrohrofen 100 mit einem erfindungsgemäßen Plasmabrenner in einer weiteren Ausgestaltung gezeigt. Anders als in 1 fördert die Vorrichtung 120 zum Injizieren des Strahlungsstoffes 140 in den Plasmakegel 130 den Strahlungsstoff nicht durch Schütten, sondern bläst den Strahlungsstoff 140 von unten in den Plasmakegel 130 hinein. Der Strahlungsstoff 140 wird durch den Plasmastrahl im Plasmakegel 130 erwärmt, erzeugt dadurch Wärmestrahlung und fällt schließlich in das Gutbett des mit Wärme zu behandelnden Stoffes am unteren Rand des Drehrohrofens 100.
BEZUGSZEICHENLISTE

100: Drehrohrofen
110: Brenner
120: Vorrichtung zum Injizieren
130: Plasmakegel
200: Regelvorrichtung
210: Wärmestrahlungsdetektor
220: Durchflussmengendetektor
250: Dosiervorrichtung

Claims

Drehrohrofen (100) zur Wärmebehandlung von körnigen Stoffen, aufweisend - mindestens einen Brenner (110) zum Erzeugen von Wärme, der von einer Seite in den Drehrohrofen (100) hineinragt dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Brenner (110) ein elektrisch betriebener Plasmabrenner ist, - der einen Plasmakegel (130) erzeugt, der in den Drehrohrofen (100) hineinragt, und - der mit einer Vorrichtung (110) zum Injizieren eines partikulären Strahlungsstoffes (140) in den Plasmakegel (130) zusammenwirkt.
Drehrohrofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (110) zum Injizieren eines partikulären Strahlungsstoffes (140) den Strahlungsstoff (140) von außen in den Plasmakegel (130) injiziert.
Drehrohrofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (110) zum Injizieren eines partikulären Strahlungsstoffes (140) mit einer Vorrichtung (150) verbunden ist, die den Strahlungsstoff (140) vor Injektion erwärmt.
Drehrohrofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (110) zum Injizieren eines partikulären Strahlungsstoffes (140) den Strahlungsstoff (140) in Heißgas suspendiert und die Heißgas-Strahlungsstoff-Suspension in den Plasmakegel (130) einbläst.
Drehrohrofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelvorrichtung (200) als Teil des gesamten Drehrohofens (100) mit einer Dosiervorrichtung (250) zum Dosieren des Strahlungsstoffes (140) verbunden ist, wobei die Regelvorrichtung (200) - mit einem Wärmestrahlungsdetektor (210) zum Detektieren der vom Plasmakegel (130) abgestrahlten Wärme und - mit einem Durchflussmengendetektor (220) zum Messen der Menge des Strahlungsstoffes (140) verbunden ist, und die Regelvorrichtung (200) über die Dosiervorrichtung (250) die Menge des in den Plasmakegel (130) injizierten Strahlungsstoffes (140) pro Zeiteinheit verringert, wenn der Wärmestrahlungsdetektor (210) bei Zunahme des in den Plasmakegel (130) injizierten Strahlungsstoffes (140) eine Abnahme der Wärmestrahlung detektiert, und die Menge des in den Plasmakegel (130) injizierten Strahlungsstoffes (140) pro Zeiteinheit erhöht, wenn der Wärmestrahlungsdetektor (210) bei Abnahme des in den Plasmakegel (130) injizierten Strahlungsstoffes (140) eine Abnahme der Wärmestrahlung detektiert.
Verwendung eines Drehrohrofens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung von - Zementklinker, -Titandioxid oder - gebranntem Kalk.
Verfahren zum Herstellen von - Zementklinker, -Titandioxid oder - gebranntem Kalk. als Endprodukt unter Verwendung eines Drehrohrofens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch Injizieren des korrespondierenden Rohmaterials und/oder Endprodukts als Strahlungsstoff (140).