DE2044457B2

DE2044457B2 - Verfahren zur Beseitigung von Alkaliverbindungen bei der Herstellung von Zement aus Rohschlamm sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2044457B2
Application number: DE2044457A
Authority: DE
Inventors: Klaus Erik Virum Gude; Bjoern Kopenhagen Lund
Original assignee: Niro Atomizer AS
Current assignee: GEA Process Engineering AS
Priority date: 1969-09-10
Filing date: 1970-09-08
Publication date: 1979-05-31
Also published as: ZA706141B; GB1283122A; DE2044457A1; ES383671A1; DE2044457C3; DK121355B; US3669432A; CA953317A; SE368815B; BE755854A; SU676190A3; PL88893B1; FR2061153A5; CS180566B2; RO58083A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beseitigung von Alkaliverbindungen bei der Herstellung von Zement aus Rohschlamm, der zerstäubungsgetrocknet und unter Anwendung der Abluft eines Kalzinier- und Brennofens vorgewärmt wird.

Die für die Zementherstellung verwendeten Rohmaterialien enthalten in größerem oder kleinerem Ausmaß Verbindungen, die beim Brennen dieser Materialien zu Zement Anlaß zur Bildung von Dämpfen geben, weiche Alkalimetalle enthalten, und zwar gewöhnlich hauptsächlich Kalium in der Form von Oxyden, Chloriden oder Sulfaten oder als andere relativ flüchtige Verbindungen. Gemäß der in einschlägiger Literatur benutzten Terminologie werden in der vorliegenden Beschreibung diese relativ flüchtigen Alkalimetallverbindungen lediglich als »Alkali« bezeichnet.

Der Gehalt der Rohmaterialien an Alkali oder Verbindungen, die beim Erhitzen des Rohmaterials, insbesondere beim Sintern desselben, Alkalidämpfe bilden, führt zu Problemen, nämlich, daß ein großer Alkaligehalt im fertigen Zement dessen Güte verringert, weil die Alkali-Bestandteile mit gewissen Zuschlagsmaterialien reagieren können, die bei der Betonherstellung verwendet werden: auch können die Alkalibestandteile die Abbindefähigkeit des Zements beeinflussen; ferner können die Alkalibestandteile Schwierigkeiten beim eigentlichen Zementbrennen herbeiführen. Hierbei tritt ein sogenannter Alkalizyklus auf, bei dem die Alkalidämpfe, die in der Kalzinier- und Sinterzone des Brennofens entstehen, mit dem heißen Gas in den Ofen gelangen, wobei das Gas dann später beim Kontakt mit noch nicht gebranntem Material beim Vorwärmen desselben abgekühlt wird.

Unabhängig davon, ob die Zementherstellung als klassischer Rohschlammprozeß erfolgt, bei dem der Rohschlamm als solcher in einen Drehrohrofen eingebracht wird, oder ob dem Drehrohrofen eine Anlage zum Trocknen und Vorwärmen von Rohschlamm oder Rohmehl vorgeschaltet ist, findet beim Abkühlen des Gases eine Kondensation von Alkali statt, welches sich im ersten Fall als Ring im Ofen niederschlagen und den Betrieb dieses Ofens stören kann und im zweiten Fall strömungsbehindernde Ablagerungen in der Vorwärmanlage, insbesondere also in Zyklonen, in dieser Anlage bilden kann. In beiden Fällen können Störungen des Gleichgewichtes auftreten, das für die Durchführung der Zementherstellung erforderlich ist. Außerdem geschieht es in gewissen Fällen, daß sich Alkali auf dem noch nicht gesinterten Rohmaterial niederschlägt, was bedeutet, daß eine zusätzliche Alkalimenge zu derjenigen, die bereits in den Rohmaterialien enthalten L>t, in die Sinterzone eingeführt wird, wodurch die erwähnten Probleme noch vergrößert werden. Schließlich ist zu erwähnen, daß der Alkalizyklus eine schlechte Wirtschaftlichkeit der Anlage bewirkt, da für die Verdampfung der Alkalibestandteile bei der hohen Temperatur in der Sinterzone Kalorien verbraucht werden, die erst wieder durch die Kondensation bei niedrigerer Temperatur beim Vorwärmen freiwerden.

Aus diesem Grunde wäre es äußerst vorteilhaft, diesen Alkalizyklus dadurch zu unterbrechen, daß man dem System kontinuierlich Alkali entzieht; es sind zahlreiche Verfahren hierfür bekanntgeworden. Beispielsweise ist bekannt, bei der Zementherstellung nach dem Trockenverfahren dem System dadurch Alkali zu entziehen, daß man nicht die gesamte vom Ofen kommende Menge heißen Gases zum Vorwärmen des Rohmehls verwendet, sondern statt dessen einen Teil dieses Gases sofort nach seinem Austritt aus dem Ofen in die Atmosphäre abbläst. Dies ist eine kostspielige Methode zur Alkalibeseitigung, da die

Wärmemenge im abgeblasenen Gas vergeudet wird. Daneben verursacht die Alkalimenge, die mit den heißen Gasen in die Atmosphäre geblasen wird, eine Verschmutzung der Umgebung der Zementfabrik. Ferner ist es bekanntgeworden, in Verbindung mit den sogenannten Lepolöfen®, bei denen das Abgas eines Drehrohrofens zum Vorwärmen und Trocknen des Rohmaterials dient, alkalihaltigen Staub aus dem Gas zu beseitigen, nachdem das Gas zum Vorwärmen verwendet worden ist, jedoch noch bevor es zum Trocknen benutzt wird.

Ferner ist bekannt, die mit der Alkalibeseitigung verbundenen Probleme dadurch zu lösen, daß man das Brennen in zwei Brennstufen mit getrennten Feuerungen vornimmt, so daß das Kalzinieren in der ersten Brennstufe und das Sintern in der zweiten Brennstufe erfolgt, wobei nur das von der Sinterung herrührende Gas Alkali enthält, dessen Rückführung man durch Anwendung spezieller, weniger effekiver Wärmeaustauscher zur Ausnutzung des Wärmegehaltes dieses Gases zum Vorwärmen des Rohmaterials vermeidet. Nachdem Wärmeaustausch ist die Temperatur des Gases so weit gefallen, daß ihm sein Alkaligehalt als Staub entzogen wird; das Gas kann dann noch zum Trocknen von Rohmaterial, zum Beispiel zur Zerstäubungstrocknung von Rohschlamm, verwendet werden. Schließlich ist es bekannt, in gewissen Fällen eine nasse Aufbereitung des in den Staubfiltern aufgefangenen Materials vorzunehmen, um das Alkali aus diesem Material zu beseitigen, bevor das Material wieder in den Brennofen zurückgeführt wird.

Für diese bekannten Verfahren gilt jedoch, daß sie recht hohe Anlagen- oder Betriebskosten verursachen und nicht immer eine genügend wirksame Alkalibeseitigung gewährleisten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Beseitigung von Alkaliverbindungen bei möglichst geringen Betriebskosten besonders wirksam zu gestalten.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfahrungsgemäß zwischen dem vom Ofen kommenden Abgas und dem zerstäubungsgetrockneten Material Wärme ausgetauscht wird, und zwar so, daß die Temperatur des Gases nicht unter ca. 750° C fällt, während das zerstäubiingsgetrocknete Materal wenigstens auf 550° C erhitzt wird, und daß daraufhin das Gas ab Trockengas für die Zerstäubungstrocknung benutzt wird, wobei dieses zusätzlich so weit abgekühlt wird, daß seine Temperatur 300° C nicht übersteigt.

Bei diesem Verfahren wird eine sehr wirksame Ausnutzung der im Abgas des Ofens befindlichen Wärmemenge erreicht und gleichzeitig der Alkaligehalt dieses Gases entfernt. Infolge der beim Wärmeaustausch gewählten Temperaturen ist dem vorgewärmten Material, das den Wärmetauscher verläßt, im unwesentlichen Ausmaß Alkali vom Gas zugeführt worden, da, je nach Konstruktion des Wärmetauschers, sich entweder überhaupt kein Alkali auf dem Material niederschlägt oder ein solcher Niederschlag, falls er überhaupt auftritt, wieder verdampft, wenn die Temperatur des Materials im Wärmetauscher steigt. Der wesentliche Teil der im Abgas des Ofens befindlichen Alkalimenge wird also mit dem Gas weiter zum Zerstäubungstrockner mitgenommen. In diesem trifft das alkalihaltige Gas, das eine Temperatur von wenigstens 750° Γ hat, auf den zerstäubten, wasserhaltigen Rohschlamm. Hierdurch erfolgt eine starke Verdampfung der zerstäubten Partikel und infolgedessen gleichzeitig eine Abkühlung des Gases, wobei das Alkali ausfällt. Die Abkühlung des Gases erfolgt ganz dicht bei den wasserhaltigen Partikeln, doch infolge der kräftigen Verdampfung von diesen schlägt sich das Alkali überhaupt nicht oder nur in ganz geringem Ausmaß auf den Partikeln des zerstäubten Rohschlamms nieder, sondern verbleibt in Form sehr feiner schwebender Partikel im Gas. Da das Gas bis auf eine Temperatur von 300° C oder wenigerabgekühltwird, liegen diese Partikel als feiner Staub vor, der nicht klebrig ist und deshalb keine Neigung zeigt zu agglomerieren oder sich an den Wänden des Zerstäubungstrockners niederzuschlagen. Diese feinen alkalihaltigen Partikel werden daher vom Abgas des Zerstäubungstrockners, eventuell zusammen mit einer kleineren Menge feiner Partikel, die bei der Zerstäubung des Rohschlamms gebildet worden sind, zu einer geeigneten Partikeltrennvorrichtung geführt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform kann man so vorgehen, daß das getrocliiete Material in einem Strom des Gases dispergiert und von diesem transportiert wird, woraufhin das Material mit Hilfe eines Zyklons aus dem Gas abgeschieden wird, wobei solche Gas- und Materialmengen und Temperaturen benutzt werden, daß die Temperatur des vom Zyklon kommenden Gases wenigstens 800° C beträgt, während das Material auf wenigstens 600° C erhitzt wird, und bei der Zerstäubungstrocknung das Gas auf eine Temperatur abgekühlt wird, die 2ÜO° C nicht übersteigt.

Hierdurch wird ein wirksamer Wärmeaustausch unter Anwendung einer relativ billigen und betriebssicheren Apparatur ermöglicht; gleichzeitig sichern die Temperaturen, daß eventuelles Alkali, welches sich bei diesem Gleichstrom-Wärmeaustausch auf dem relativ kalten Material niederschlagen kann, wenn dieses mit dem sehr heißen Gas vom Ofen in Berührung gebracht wird, wieder in eine Dainpfform übergeht, bevor das Material dem Zyklon entnommen wird. Die hierbei angewendete Höchsttemperatur für das vom Zerstäubungstrockner kommende Gas gewährleistet selbst unter extremen Bedingungen, daß keine Alkaliagglomeration im Zerstäubungstrockner stattfindet.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zur Durchführung des obigen Verfahrens; diese Vorrichtung kann so ausgebildet sein, daß sie einen solchen Wärmetauscher, der Temperaturunterschiede zwischen einem Gas und pulverförmigem Material ausgleichen kann, und eine Zerstäubungstrocknungsvorrichtung umfaßt, wobei der Wärmetauscher einen an den Gasaustritt eines Kalzinier- und Brennofens anzuschließenden Gaseintritt, einen Gasaustritt, der mit dem Gaseintritt des Zerstäubungstrockner verbunden ist, und einen Eintritt für pulverförmiges Material aufweist, welcher dem Austritt des Zerstäubungstrockners für dieses Material angeschlossen ist.

Der Wärmetauscher kann einen Gaszufuhrteil, der einen Ejektor mit einem oder mehreren Eintritten für pulverförmiges Material in der Verengung des Ejektors umfaßt, ein an den Austritt des Ejokiors angeschlossenes Rohr sowie einen Zyklon aufweisen, in den der vom Ejektor abgekehrte Teil des Rohres einmündet. Diese Ausführungsform der Vorrichtung eignet sich besonders für die Durchführung der bevorzugten Abwandlung des Verfahrens, da sie ermöglicht, das zerstäubungsgetrocknete Material unter geringem Druckverlust sofort und wirksam in der

Vorwärmluft zu dispergieren und später dieses Material aus der Luft wiederzugewinnen.

Der Zerstäubungstrockner hat vorzugsweise einen rotierenden Zerstäuber; dieser ermöglicht den Kontakt zwischen der warmen alkalihaltigen Trockenluft und den wasserhaltigen Schlammpartikeln, so daß die Alkalibestandteile in der gewünschten Weise als feine Partikel ausgeschieden werden, die vom Gas getragen werden. Da der Rohschlamm eine stark abnutzende Wirkung auf das Zerstäuberrad hat, wird zweckmäßigerweise ein Rad benutzt, welches mit verschleißfesten, auswechselbaren Buchsen versehen ist.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert, welche schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie einige Einheiten zeigt, an die die Anlage beim Betrieb unmittelbar angeschlossen ist.

Länge besitzt, die ihn für die Herstellung von Zement nach dem Trockenverfahren geeignet macht, treten Gase aus. deren Temperaturen etwa 1000-1 100° C haben. An das Ende des Ofens ist ein Ejektor 2 mit einer Verengung 3 angeschlossen. Inder Verengung 3 sind eine oder mehrere öffnungen zum Einführen eines zerstjiubungsgetrockneten Rohschlamms aus einem Zufuhrrohr 4 vorgesehen. Der Austritt des Ejektors ist an ein Rohr 5 angeschlossen, welches bei dieser Ausführungsform einen lotrecht verlaufenden Teil aufweist. Wenn zerstäubungsgetrockneter Rohschlamm durch das Rohr 4 in die Verengung 3 des Ejektors eingeführt wird, wird er im vom Ofen kommenden heißen Gas dispergiert und mit diesem durch das Rohr 5 geführt, wobei sich gleichzeitig ein Wärmeaustausch zwischen dem heißen Gas und dem verhältnismäßig kalten von der Zerstäubungstrocknung von Rohschlamm herrührenden Material vollzieht. Ein besonders wirksamer Wärmeaustausch wird erzielt, wenn das Rohr einen lotrechten Teil besitzt; das Rohr kann jedoch auch waagerech! verlaufen.

Das Rohr 5 mündet in einen Zyklon 6, in dem das vorgewärmte feste Material wieder vom Gas getrennt wird. Das Gas wird dann vom Zyklon durch ein Rohr 7 einem oben an einer Zerstäubupgstrocknungsvorrichtung 9 vorgesehenen Luftverteiler 8 zugeführt. Der Zerstäubungstrockner weist eine Zufuhrleitung 10 für Rohschlamm und einen rotierenden Zerstäuber 11 zum Zerstäuben des Schlammes auf.

Wenn das Gas mit einer Temperatur von wenigstens 550° C vom Rohr 7 über den Luftverteiler 8 in den Zerstäubungstrockner 9 gelangt, wird es mit dem durch die Leitung 10 eingeführten und vom Zerstäuber 11 zerstäubten Rohschlamm in Berührung gebracht, wodurch ein zerstäubungsgetrocknetes Material mit einer Temperatur von 100-150° entsteht, welches in das Rohr 4 hinunterfällt und von dort aus, wie bereits erwähnt, in den Ejektor 2 eingeführt wird. Das Gas, das hiernach auf eine Temperatur von weniger als 300° C, vorzugsweise 170-200° C, abgekühlt ist, enthält Alkalibestandteile als dispergierte Partikel und wird über eine Leitung 12 zu einer Entstaubungsanlage 13 geführt, die aus Elektrofiltern bestehen kann. Bei der auf der Zeichnung gezeigten Ausführungsform besteht die Anlage 13 aus zwei zusammengebauten Einheiten 14 und 15, von denen die Einheit 14 wahlweise wirkt, so daß nur gröbere Partikel, die von der Zerstäubungstrocknung des Rohschlamms herrühren, in dieser Einheit abgeschieden werden, während die feinen Partikel und damit die hauptsächliche Alkaltmenge im Gas zur Einheit 15 weitergeführt wird, wo das Alkali abgeschieden und zum Beispiel Düngezwecken zugeführt werden kann. Von der Einheit 15 wird das Gas in die freie Atmosphäre geleitet. Für die Austrittluft des Trockners können noch niedrigere Temperaturen als die angeführten benutzt werden, wenn keine Elektrofilter verwendet werden. Die in der Einheit 14 abgeschiedenen, gröberen Partikel werden durch ein Rohr 16 pneumatisch zum Eintrittende 1 des Drehofens befördert. Das im Zyklon 6 abgeschiedene, vorgewärmte Material wird ebenfalls zum Eintrittende des Ofens befördert, und vtwor nnAiimalic/Ί, Hurcl·» «-Iac Vit\\\r \f\ in wplrhpc PC

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durch eine Klappenschleuse 17 eingeführt wird.

Neben dem besonderen Vorteil, den die Anlage infolge ihrer Fähigkeit, Alkali wirksam zu beseitigen, mit sich führt, besitzt sie gegenüber dem bekannten Naßverfahren zur Zementherstellung zahlreiche Vorteile, nach welchem der wasserhaltige Rohschlamm direkt in einen Drehofen eingeführt wird. Die erfindungjgemäße Vorrichtung läßt den Trocknungs- und Vorwä'Tteil des Ofens überflüssig werden, weshalb der Drehofen bei einer gegebenen Kapazität wesentlich kürzer gemacht werden kann, so daß die Anlage bewirkt, daß füreinen solchen O^fen erheblich weniger investiert zu werden braucht. Ferner eignet sich die Anlage auch vorzüglich dazu, die Kapazität eines bereits bestehenden Ofens zu vergrößern. Die erfinciungsgemäße Vorrichtung bringt erleichterte Betriebsbedingungen mit sich, da sie eine schnellere Umstellung auf betriebliche Änderungen ermöglicht als der sehr langsam aufheizbare, klassische lange Drehrohrofen.

Beispiel:

Aus Sand, Kalkstein, Ton und Wasser wird ein Rohschlamm hergestellt, der nach dem Trocknen bei 105° C in einem Laborofen die unten angegebene Zusammensetzung aufweist. Durch Brennen dieses Rohschlammes zu Zementklinkern nach einer Zerstäubungstrocknung und einer Vorwärmung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Zementklinker mit der nachstehend angegebenen Zusammensetzung erzielt:

Getrockneter Ze' .ent-Rohschlamm klinker

SiO₂ <7c	13.2	21,3
Al₂03 —	4,3	6,6
Fe₂03 —	1,7	3.7
CaO —	42,5	64,6
MgO —	1.5	1.7
SO₃ —	0.8	1,0
K₂O-Na₂O —	0.84	0.32
Verlust beim Ausglühen	35,2
Aus diesem ergibt sich	, daß (	durch das Verfahren
ein Alkalientzug erzielt wurde,	wobei die Zement-
klinker nur etwa halb so	viel Alkali enthielten wie
alkaliarmer Zement gewöhnlich
i enthalten darf.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Beseitigung von Alkaliverbindungen bei der Herstellung von Zement aus Rohschlamm, der zerstäubungsgetrocknet und unter Anwendung der Abluft eines Kalzinier- und Brennofens vorgewärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem vom Ofen kommenden Abgas und dem zerstäubungsgetrockneten Material Wärme ausgetauscht wird, und zwar so, daß die Temperatur des Gases nicht unter ca. 750° C fällt, während das zerstäubungsgetrocknete Material wenigstens auf 550° C erhitzt wird, und daß daraufhin das Gas als Trockengas für die Zerstäubungstrocknung benutzt wird, wobei dieses zusätzlich so weit abgekühlt wird, daß seine Temperatur 300° C nicht übersteigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Wärmeabtauseh dadurch vollzieht, daß das getrocknete Material in einem Strom des Gases dispergiert und von diesem transportiert wird, woraufhin das Material mit Hilfe eines Zyklons aus dem Gas abgeschieden wird, wobei solche Gas- und Materialmengen und Temperaturen benutzt werden, daß die Temperatur des vom Zyklon kommenden Gases wenigstens 800° C beträgt, während das Material auf wenigstens 600° C erhitzt wird, und das Gas bei der Zerstäubungstrocknung auf eine Temperatur abgekühlt wirb, die 200° C nicht übersteigt.

3. Vorrichtung zu-· Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen solchen Wärme Juscher, der Temperaturunterschiede zwischen einem Gas und pulverförmigem Material ausgleichen kann, und eine Zerstäubungstrocknungsvorrichtung (9) umfaßt, wobei der Wärmetauscher einen an den Gasaustritt eines Kalzinier- und Brennofens (1) anzuschließenden Gaseintritt, einen Gasaustritt, der mit dem Gaseintritt (8) der Zerstäubungstrocknungsvorrichtung (9) verbunden ist, und einen Eintritt für pulverförmiges Material aufweist, v/elcher dem Austritt (4) des Zerstäubungstrockners (9) für dieses Material angeschlossen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher einen Gaszufuhrteil, der einen Ejektor (2) mit einen oder mehreren Eintritten für pulverförmiges Material in die Verengung (3) des Ejektors umfaßt, ein an den Austritt dieses Ejektors angeschlossenes Rohr (5) sowie einen Zyklon (6) aufweist, in den der vom Ejektor (2) abgekehrte Teil des Rohres (5) einmündet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zerstäubungstrockner (9) einen rotierenden Zerstäuber (11) hat.