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Verfahren zur Herstellung von Zementklinker
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Die Zementklinkerherstellung erfolgt großtechnisch vorwiegend in Drehöfen
mit vorgeschaltetem Wärmetauscher. Hier sind in erster Linie Drehöfen mit Zyklonwärmetauscher
oder mit Rostvorwärmer zu nennen, wobei sich in letzterem Fall der Lepolofen mit
Wanderrost allgemein durchgesetzt hat. Daneben werden für das Naßverfahren auch
Drehöfen mit Schlammvorwärmer (Calcinator, Konzentrator) eingesetzt (vergl. hierzu
Ullmanns Encyklopädie der techn. Chemie, Band 19 (1969) Seite 17).
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In jüngster Zeit ist eine Weiterentwicklung des Zyklonwärmetauschers
bekannt geworden. Der Kern dieser Weiterentwicklung besteht darin, daß zur Verringerung
der Feuerraumbelastung des Drehofens die dem Drehofen zugeführte Wärmemenge merklich
herabgesetzt und der restliche Wärmebedarf einem sogenannten SF-Wärmetauscher (Suspension
Preheater Flash Calciner) zugeführt wird (US-PS 3 452 968).
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Weitere Entwicklungen auf diesem Gebiet sind der MF&Wärmetauscher
(Mitsubishi Fluidized Calciner) der RSP-Wärmetauscher (Reinforced Suspension Preheater)
und der Polysius-Wärmetauscher.
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Die beschriebene Entwicklung ist in Deutschland unter dem Stichwort
wVorkalzinierungw bekanntgeworden. Die genannten Systeme
beruhen
sämtlich auf dem gemeinsamen Prinzip, einen Teil des Brennstoffs außerhalb des Drehofens,
nämlich im Zyklonwärmetauscher (SF- und RSP-Verfahren), in einem gesonderten, zwischen
Zyklonwärmetauscher und Drehofen geschalteten Fließbettreaktor (MFC-Verfahren) oder
in einer Verbindungsleitung zwischen Drehofen und Vorwärmer (Polysius-Rohrbach-Verfahren)
unter Anwendung üblicher Brenner zu verbrennen. Zur Anwendung kommen Heizöl- und
Kohlestaubfeuerung (vergleiche hierzu Duda, Cement Data Book, Bauverlag GmbH Wiesbaden
und Berlin (1976) S. 345 - 356).
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Auf der VDZ-Tagung im Februar 1976 in Düsseldorf wurde über Versuche
bezüglich einer Direktbefeuerung des Wanderrostes eines Lepolofens berichtet. Zur
Befeuerung wird, ähnlich wie beim Zyklonwärmetauscher, Erdgas oder feinverdüstes
Heizöl eingesetzt.
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Es ist weiterhin bekannt, bei der Herstellung der Rohstoffmischung
brennbare Bestandteile zu verwenden. So erfolgt die Herstellung von Zementklinker
in Dotternhausen mittels eines fünfstufigen Zyklonwärmetauschers unter Verwendung
von ölschiefer als Tonkomponente unter Ausnutzung des Heizwertes des Olschiefers
in Höhe von 930 kcal (Rechmeier in ZKG 23 (1970) 249 - 253).
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Den vorgenannten Verfahren gemeinsam ist, daß, insbesondere bei festen
Brennstoffen wie Kohle oder ölschiefer, eine besondere Aufbereitung des Brennstoffs
erfolgen muß. Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß diese Aufbereitung
weitgehend oder vollständig entfallen kann, wenn man den Brennstoff, getrennt von
der Rohstoffbeschickung und ohne Anwendung einer besonderen Brennereinrichtung,
im Wärmetauscher aufgibt.
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Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung von
Zementklinker in Drehöfen mit Wärmetauscher, wobei ein Teil der Prozesswärme mittels
dem Wärmetauscher aufgegebenem Brennstoff zugeführt wird, das dadurch gekennzeichnet
ist, daß die Brennstoffaufgabe im Wärmetauscher getrennt von der Rohstoffbeschickung
und ohne Anwendu eine bespuQeren Brennereinrichtung erfolgt.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik erfolgt erfindungsgemäß die Brennstoffaufgabe
weder zusammen mit der Rohstoffbeschickung, noch werden Brennereinrichtungen verwendet.
Im Gegensatz zur bekannten Vorkalzinierung bezweckt die Erfindung auch weniger eine
bloße Umverteilung der Wärmezufuhr im Ofen system, sondern vielmehr die Verwendung
von Abfallbrennstoff oder minderwertigem Brennstoff der mit den üblichen Brennereinrichtungen
überhaupt nicht oder nur nach besonderer Aufbereitung verbrannt werden könnte.
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Erfindungsgemäß werden als Brennstoff sämtliche Stoffe angesehen,
die einen erheblichen Heizwert besitzen und deren Bestandteile bzw. die Verbrennungsprodukte
hiervon keine schädlichen Auswirkungen auf den Klinker bzw. Zement haben. Eine Verschiebung
der Zementzusammensetzung wird hier insoweit nicht als schädlich angesehen, als
sie durch Veränderung der Zementrohstoffzusammensetzung korrigiert werden kann.
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Beispiele für erfindungsgemäß geeignete Brennstoffe sind in erster
Linie Abfallbrennstoffe, wie aus der Olraffination stammende ölhaltige Bleicherde,
aus der Mineralölraffination stammende Säureharze bzw. Säureteere, Altöle, ölgebundener
Ruß, aufbereiteter Haushaltsmüll (vgl. hierzu UWD Umweltschutzdienst Nr.
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11 (1976) Seite 5), aber auch Feinkohle oder Koksgruss. Klebrige Brennstoffe
werden gegebenenfalls in Form von Suspensionen, z.B.
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in Heizöl oder Altöl, verwendet. Diese Brennstoffe werden entweder
stückig (bei festen Brennstoffen) oder tropfenförmig (bei flüssigen Brennstoffen)
in den Wärmetauscher eingetragen, wobei keine Brennereinrichtungen verwendet werden
und insbesondere auch keine Verdüsung der Brennstoffe stattfindet, wie bei der üblichen
Heizöl- oder Kohlestaubfeuerung. Die Verwendung stückiger bzw. teilchenförmiger
Brennstoffe ist bevorzugt.
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Besonders bevorzugt ist die Verwendung ölhaltiger Bleicherde (Fullererde).
Diese fällt in großen Mengen bei der Raffination von Pflanzen- und Mineralölen an
und mußte bisher (sofern nicht bei besonders wertvollen OleZnveine eine Wiedergewinnung
des von der
Bleicherde aufgesaugten Öls durchgeführt wurde) in MUllverbrennungsanlagen
vernichtet oder auf Mülldeponien verbracht werden.
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Durch das Verfahren der Erfindung wird zum einen die durch das Verbringen
der ölhaltigen Bleicherde auf Mülldeponien verursachte Umweltverschmutzung beseitigt;
zum andern wird die verbrauchte Bleicherde einer volkswirtschaftlich wertvollen
Nutzung zugeführt. Darüber hinaus handelt es sich bei Bleicherde um Aluminiumhydrosilicate,
die überwiegend Minerale der Montmorillonitgruppe enthalten, Stoffe also, die ohnehin
in der Zementrohstoffmischung enthalten sind. Somit kann die durch die Bleicherde
zusätzliche eingebrachte Tonmenge durch entsprechende Verringerung der Tonkomponente
in der Zementrohstoffmischung kompensiert werden. Der Olgehalt gängiger verbrauchter
Bleicherden beträgt etwa 20 - 50 Gewichtsprozent.
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Weitere erfindungsgemäß bevorzugte Brennstoffe sind Säureharze bzw.
Säureteere (nachfolgend als Säureharze bezeichnet), die als unerwünschte Nebenprodukte
bei der Mineralölraffination, d.h.
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bei der Behandlung von Mineralölen mit konzentrierter Schwefel säure
oder rauchender Schwefelsäure (Oleum) entstehen. Es handelt sich hierbei um eine
zähe, schwarze Masse, die hauptsächlich aus teerartigen, polymeren Stoffen besteht,
aber auch unverbrauchte Schwefelsäure und Sulfonierungsprodukte enthält. Diese Säureharze
werden entweder flüssig eingesetzt (gelöst bzw. suspendiert, z.B.
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in Heizöl), kommen jedoch vorzugsweise nach Neutralisation mit Kalk
stückig bzw. krümmelig zur Anwendung.
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Besonders vorteilhaft wirkt stich die Verwendung von Säureharzen dort
aus, wo, z.B. wegen der Befeuerung mit Erdgas, dem Gesamtsystem zu wenig Schwefel
zugeführt wird. In diesem Fall kann es zu einem Einbau von Alkali in die C,A-Phase
des Klinkers kommen, was sich wiederum nachteilig auf das Abbindeverhalten des Zements
auswirkt. Bisher begegnet man diesem Problem dadurch, daß man dem Rohmehl eine entsprechende
Menge Gips oder Anhydrit ?mahlt, um die Sulfatisierung des Alkalis zu bewirken.
Im Fall der erfindungsgemäßen Verwendung von Säureharzen kann dies entfallen, da
hierdurch eine ausreichende Schwefelmenge eingebracht wird.
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Selbstverständlich dürfen die Säureharze nicht in so großen Mengen
verwendet werden, daß der Sulfatgehalt des Klinkers zu hoch wird. Die durch das
als Brennstoff verwendete Säureharz eingebrachte Schwefelmenge kann jedoch nicht
von vornherein festgelegt werden, da sie nach Maßgabe des bereits durch die Zementrohstoffe
und des restlichen Brennstoffs eingebrachten Schwefels sowie der Zementqualität
schwankt.
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Auch bei ölgebundenem Ruß handelt es sich um ein technisch anfallendes
Abfallprodukt, das etwa 20 Prozent Ruß und 10 Prozent Wasser, Rest Heizöl, enthält.
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Die stückigen bzw. teilchenfOrmigen Brennstoffe besitzen im allgemeinen
eine Teilchengröße von 0,5 - 30 mm, vorzugsweise 2 - 20 mm, und insbesondere 5 -
15 mm. Daneben können auch geringe Mengen, z.B. unter 10 %, feinere oder gröbere
Teilchen zugegen sein. Bei Bleicherde gelten die angegebenen Werte für Teilchenaggregate,
deren aggregierte Einzelteilchen erheblich kleiner sind; ähnliches gilt auch für
Schlammkohle.
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Flüssige Brennstoffe, z.B. Altöl, werden vorzugsweise in Tropfenform
eingetragen, jedoch kann die Eintragung auch in Form eines dünnen Brennstoffstrahls
erfolgen. Die Tropfen werden dadurch erzeugt, daß man den flüssigen Brennstoff durch
entsprechend perforierte Röhren bzw. Behälter austreten läßt. Der Druck darf hierbei
nicht so groß sein, daß eine Verdüsung stattfindet, vielmehr müssen die Tropfen
eine Größe von deutlich über 1 mm Durchmesser besitzen. An sich könnte man Altöl
in gleicher Weise wie Heizöl, d.h. durch Verdüsung, einer Verwertung zuführen. In
der Praxis hat sich hierbei jedoch gezeigt, daß die in Altöl vorhandenen Verunreinigungen,
z.B. Eisenteilchen, eine Verstopfung und/oder einen starken Verschleiß der Brennerdüse
bewirken.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Brennstoffaufgabe im Wärmetauscher des
Ofensystems, und zwar kommen als Wärmetauscher Rostvorwärmer, Zyklonwärmetauscher
od. Schlammvorwllmer in Frage. Hierbei werden auch eventuell vorhandene Übergangsstücke
zwischen Wärmetauscher und Drehofen als zum Wärmetauscher gehörig verstanden.
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Bei der Verwendung von Drehöfen mit Rostvorwärmer, z.B. eines Lepolofens
mit Wanderrost, läßt man im einfachsten Fall den Brennstoff von oben auf den Rost
fallen bzw. tropfen. Es ist jedoch nicht zwingend erforderlich, daß der Brennstoff
auf den Rost fällt; er kann vielmehr auch in den Raum zwischen dem Ende des Rostes
und dem Ofeneinlauf eingebracht werden. Nach Maßgabe der Menge und der Verdampfungspunkte
der in dem Brennstoff enthaltenen flüchtigen Bestandteile sind hierbei verschiedene
Gesichtspunkte zu beachten.
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Beim Lepolofen erfolgt die Brennstoffaufgabe vorzugsweise vom Dach
des Vorwärmergehäuses her in der Trockenkammer oder Heißkammer; letzteres ist bevorzugt.
Hierbei ist darauf zu achten, daß alle flüchtigen Bestandteile sicher gezündet werden.
Andernfalls kann es zu Abgasverlusten, verbunden mit Explosionsgefahr in nachgeschalteten
Anlagen, z.B. Elektrofiltern, kommen. Es kommt jedoch nicht darauf an, daß der aufgegebene
Brennstoff bereits im Wärmetauscher vollständig verbrennt. Ganz allgemein gilt,
daß die Aufgabe des Brennstoffes umso weiter zum Ofeneinlauf hin erfolgt, je leichter
flüchtig die Bestandteile sind.
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Grundsätzlich könnte man alle Brennstoffe am Ende der Heißkammer,
also am Ofeneinlauf, aufgeben. In der Praxis kann dies jedoch zu Schwierigkeiten
führen.
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So hat sich z.B. gezeigt, daß bei Verwendung von Bleicherde nach Maßgabe
des Ursprungs der Bleicherde (Art des Öls, z.B. Pflanzenöl oder Paraffinöl; Olgehalt
der Bleicherde) mehr oder weniger starke Ankrustungen auftreten, die eine Querschnittsverengung
am Ofeneinlauf bewirken, die bis zur vollständigen Verstopfung führen kann, wenn
man den Brennstoff sehr nahe beim Ofeneinlauf aufgibt. In diesem Fall geht man mit
der Brennstoffaufgabe, vom Ofeneinlauf weg, so weit zurück, daß einerseits keine
Ankrustungen mehr auftreten, andererseits aber noch eine sichere Zündung stattfindet.
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Bei schwerflüchtigen Brennstoffen, z.B. Koksgruss, wo die Gasentwicklung
nur sehr schwach ist, erfolgt die Aufgabe vorzugsweise
weiter vom
Ofeneinlauf weg zur Trockenkammer hin, um einen guten Ausbrand des Brennstoffs zu
erleichtern.
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In der Praxis wurde bereits ein länger dauernder Großversuch mit einem
3300 tato Lepolofen durchgeführt, bei dem ölhaltige Bleicherde mit einem Ölgehalt
von 40 - 50 z in einer Menge von etwa 15 %, bezogen auf die Gesamtwärmebilanz, etwa
in der Mitte der Heißkammer, von oben durch einen in die Heißkammer mündenden, wassergekühlten
Schacht in den Wärmetauscher eingetragen wurde.
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Hierzu wurde in die Heißkammer von oben ein Schacht eingeführt, auf
den ein Silo mit Austrageinrichtung aufgesetzt wurde. Die ausgetragene Bleicherde
passierte eine Stachelwalze, um sehr grobe Brocken zu zerkleinern, und fiel dann
frei nach unten auf den Rost. Überraschenderweise ist eine Verteilung der durch
den Schacht fallenden Bleicherde hier nicht erforderlich; gegebenenfalls könnten
geeignete Verteilereinrichtungen, z.B. ein Gebläse, verwendet werden. Bei einer
Gesamtbreite des Rostes von 5,6 m betrug der Schachtdurchmesser nur 0,5 m.
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Bei Drehöfen mit Zyklonwärmetauscher (Schwebegas-Wärmetauscheröfen)
erfolgt die Brennstoffaufgabe in den Gasleitungen, vorzugsweise dem Einlaufgehäuse,
des Zyklonwärmetauschers. Hierbei sind für den Abstand des Ortes der Brennstoffaufgabe
vom Ofeneinlauf die gleichen Gesichtspunkte bezüglich Zündung, Verkrustungen, usw.
zu beachten, wie beim Rostvorwärmerofen Infolge der starken Strömung in den Gasleitungen
kommt es hier jedoch nach Maßgabe der Brennstoffteilchengrößenverteilung zu einer
zumindest teilweisen Klassierung des Brennstoffs, indem feinere Brennstoffteilchen
nach oben gerissen werden und gröbere Teilchen nach unten fallen.
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Bei Verwendung von Drehöfen mit Schlammvorwärmer erfolgt die Aufgabe
des Brennstoffes vorzugsweise in dem Übergangs stück zwischen Schlammvorwärmer und
Drehofen, wobei die gleichen Gesichtspunkte bezüglich Zündung des Brennstoffs, Verkrustungen
usw. zu beachten sind, wie vorstehend für den Zyklonwärmetauscher- bzw. Wanderrostofen
beschrieben.
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Bei der Verwendung von ölhaltiger Bleicherde in Lepol-Rostvorwärmerofenhat
sich gezeigt, daß die Bleicherde in einer Menge von bis zu etwa 20 %, bezogen auf
die Gesamtwärmebilanz, verwendet werden kann. Bei größeren Mengen kommt es zu einer
Abgastemperaturerhöhung und somit auch zu einer Erhöhung der Abgasverluste. Andererseits
handelt es sich bei dem angegebenen Wert um eine durch die praktischen Gegebenheiten
bedingte Grenze, die somit nicht allgemein Gültigkeit hat. Die vorstehenden Ausführungen
gelten sinngemäß auch für andere Brennstoffe Angesichts der großen Probleme, die
mit den Schlagwörtern Ölverknappung und Umweltverschmutzung beschrieben werden können,
kommt dem Verfahren der Erfindung besondere Bedeutung zu.
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Bedingt durch die Ölverknappung ist der Anteil der Kohle am Brennstoffverbrauch
der deutschen Zementindustrie von 2 % im Jahre 1973 wieder auf 6 % im Jahre 1974
gestiegen, und dies, obwohl die Kosten der Kohleaufbereitungsanlage einer Zementfabrik
etwa 15 - 20 % der Kosten der gesamten Maschineneinrichtung betragen (Duda, Cement
Data Book, Bauverlag GmbH Wiesbaden und Berlin (1976) S. 228). Die Aufbereitung
von 1 t Kohle und Mahlung auf 8 - 10 % Rückstand auf dem 0,09-Sieb erfordert 36
kWh (Duda, a.a.O.,229), wobei die Personalkosten noch nicht berücksichtigt sind.
Erfindungsgemäß ist keine Kohleaufbereitung erforderlich; vielmehr kann die im Handel
erhältliche Feinkohle direkt eingesetzt werden.
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Die vorstehend dargelegten Gesichtspunkte gelten in noch stärkerem
Maß für Abfallbrennstoffe, wie Bleicherde oder Altöl, da ja auch Kohleenergie nicht
unbegrenzt zur Verfügung steht.
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Die Bedeutung des erfindungsgemäßen Verfahrens für den Umweltschutz
ergibt sich aus der volkswirtschaftlich nützlichen Verwendung von Abfallprodukten,
wie ölhaltige Bleicherde, die bisher auf Mülldeponien Verbracht wurden.
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Patentansprüche