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Verfahren zum Brennen von karbonatischen Rohstoffen
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Brennen von karbonatischen
Rohstoffen in Drehrohröfen mit vorgeschaltetem Vorwärmer zu industriellen Produkten
wie Zementklinker, Branntkalk, Dolomitkauster oder dergl.
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unter Nutzung des Heizwertes von Abfallstoffen durch Erzeugung von
Pyrolysegas, welches für die Wärmeerzeugung im Brennprozeß verwendet wird.
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Nach einem bekannten Verfahren (DE-OS 2748510) werden Pyrolysegase
aus Abfallstoffen erzeugt, die in einem Brennraum zur Erzeugung von Baustoffen,
insbesondere hydraulische und nichthydraulische Bindemittel - also etwa Zementklinker
oder Branntkalk -, verbrannt werden.
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Dabei wird die Wärme für die Erzeugung des Pyrolysegases entweder
durch Teilverbrennung der Abfallstoffe unter Zuführung bzw. Ansaugung von Luft oder
vorgewärmter Luft durch direkte Befeuerung oder durch Zumischen z.B.
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heißen Rlinkers erzeugt bzw. zugeführt.
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Das dabei anfallende ballastgashaltige Pyrolysegas wird dann dem Brennofen
zur Befeuerung zugeführt, in dem die Baustoffe gebrannt bzw. gesintert werden. Dabei
handelt es sich insbesondere um Drehrohröfen mit vorgeschaltetem Wärmetauscher,
nämlich Zyklonwärmetauscher oder Lepolroste.
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Durch Messung der Abgastemperatur am Ofeneinlauf soll die Erzeugung
des Pyrolysegases durch entsprechende Regulierung der Luftzufuhr zur Teilverbrennung
innerhalb des Pyrolyseofens gleichmäßig gehalten werden. Ferner wird in dem Brennofen
zur Einhaltung gleichmäßiger Brenn- bzw. Sinterbedingungen noch Primärbrennstoff
verbrannt.
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Das bekannte Verfahren hat sich insofern als nachteilig erwiesen,
als das bei einer Pyrolyse der beschriebenen Art entstehende Pyrolysegas mit einem
beachtlichen Ballast an unverbrennbaren Gasen belastet ist, die zunächst bei der
Verbrennung aufgeheizt werden müssen und dadurch die Verbrennungstemperatur drücken
und die dann natürlich auch durch das Ofensystem hindurchgezogen werden müssen und
die schließlich mit der systembedingten Abgas temperatur das Ofensystem verlassen
und somit einen zusätzlichen Wärmeverlust verursachen.
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Diese Zusammenhänge werden durch nachfolgende Modellrechnungen verdeutlicht:
Es werde ein Abfall (A) mit einen Heizwert von 8000 kJ/ kgA bezogen auf Trockensubstanz
verwertet, der einen Feuchtigkeitsgehalt von 25% habe. Weiterhin wird unterstellt,
daß durch den Pyrolyseprozeß 72 % des Heizwerts in das Pyrolysegas gehen - also
28 % im Rückstand verbleiben und daß die Pyrolysegasmenge 0,6 Nm3/kgA beträgt; derartige
Zahlen wurden in Großversuchen im technischen Maßstab ermittelt.
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Die Modellrechnung A geht davon aus, daß der feuchte Abfall durch
Teilverbrennung auf 500 "C erhitzt~wird, dadurch vergast und entgast wird und daß
das Pyrolysegas alle dabei entstehenden Gase umfaßt (direktbeheizter Pyrolyseofen):
a)
für die Abfallaufwärmung werden verbraucht: 1 kgA . 0,8 kJ/kgA . 500 "C = 400 kJ/kgA,
dabei entsteht an Rauchgas (0,31 Nm3/1000 kJ): 0,31 . 0,4 = 0,12 Nm3/kgA, b) für
die Verdampfung des Feuchtewassers werden verbraucht 0,25 . 2258 Verdampfungswärme
bei 100 "C = 753 kJ/kgA 0,75 dabei entsteht an Wasserdampf: (0,25 : 0,75) : 0,804
= 0,41 Nm'/kgA und 0,21 . 0,753 = 0,23 Nm3/kgA Rauchgas c) Nach Abzug der Teilverbrennung
für die Vorgänge a + b verbleibt ein Restheizwert im Abfall von 8000 - (400 + 753)
= 6847 kJ/kgA, der definitionsgem-3 zu 72 % ent-/vergast wird. Dabei entstehen folgende
Gasmengen: Pyrolysegas 6,85 . 0,6 (Nm3/kgA) = 0,51 Nm3/kgA 8 Rauchgase: 0,12 (a)
+ 0,23 (b) = 0,35 Nm3/kgA Wasserdampf: 0,41 (b) = 0,41 Nm3/kgA zusammen 1,27 Nm3/kgA
Der
Heizwert dieses Pyrolysegases beträgt: d) Hu = 6847 = 0,72 : 1,27 = 3882 kJ/Nm3,
seine theoretische Verbrennungstemperatur tmax = Hu: ( ;s v . Cp) e) tmax = 3882
: (0,31 . 3,882 + 0,35) . 1,68 + 0,41 . 1,84) = 1154 °C Der Abgasverlust würde sich
bei einer bei Wärmetauschern üblichen Abgastemperatur von 330 °C auf = = (0,51 .
1,08 + 0,41 + 0,35) . 1,47 . 330 = 636 kJ/kgA einstellen. Somit würde in diesem
Falle nur ein Nutzen von 6847 . 0,72 - 636 = 4294 kJ/Nm3 entsprechend 4294 . 100
= 75 % des vergasbaren Heizwertanteils des Abfalls 8000.0,72 verbleiben.
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Bei einem Heizwert des Abfalls von 10.000 kJ/kgA wurde der Nutzen
gemäß analoger Rechnung 79 %, bei einem Heizwert von 6000 kJ/kgA 66 % betragen.
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Wie unter e) vorgerechnet wird aber auch die Verbrennungstemperatur
des Pyrolysegases gedrückt, und zwar im Modellfall A auf 1154 OC und analog bei
einem Heizwert des Abfalles von 10.000 kJ/kg auf 1268 °C bzw. bei einem Heizwert
des Abfalles von 6000 kJ/kgA auf 998 °C.
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Die Verwendung von derartigem Pyrolysegas ist also nur in sehr begrenzter
Menge möglich, wenn nämlich durch gleichzeitige Befeuerung des Ofens mit hochwertigem
Brennstoff die erforderliche Prozeß temperatur gewährleistet ist. - Da beim Zementklinkerbrennen
diese etwa 1400 C beträgt, muß im Drehofen etwa eine Flammentemperatur von über
1800 "C erreicht werden, um den Sinterprozeß mit betrieblich akzeptabler Geschwindigkeit
und damit Durchsatzleistung durchführen zu können.
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Dies wäre also nur mit sehr geringen Anteilen an Pyrolysegas möglich.
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Hiervon ausgehend, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen
integrierten Pyrolyse-/Brennprozeß der oben beschriebenen Art zu entwickeln, der
die Mängel des vorbeschriebenen Verfahrens mindert oder ganz vermeidet, der also
den größtmöglichen Nutzen für den Brennprozeß aus dem Pyrolysegas zieht und der
auch unabhängiger vom Heizwertgehalt des Abfalls ist und die Umweltbelastung auf
das unvermeidliche Minimum beschränkt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs
1 gelöst. Hiernach wird das (relativ heizwertarme) Pyrolysegas nicht im Drehrohrofen,
sondern im heißesten Teil des Vorwärmers verbrannt - wo zur Entsäuerung nur eine
Prozeßtemperatur von ca. 850 "C erforderlich ist - und weiterhin wird der Pyrolyseprozeß
so geführt, daß ein möglichst ballastgasarmes Pyrolysegas entsteht, nämlich dadurch,
daß der aus den Abfallstoffen entstehende Wasserdampf durch einen dem Pyrolyseprozeß
vorgeschalteten Trocknungsprozeß beseitigt wird und die Pyrolyse durch ausschließlich
indirekte Beheizung erfolgt. Letzteres wird problemlos erreicht, wenn der Abfall
in einem indirekt beheizten Ofen entgast
wird, also wenn die erforderliche
Wärme durch die Ofenwandung zugeführt wird, sodaß im Pyrolyseofen selbst keine Teilverbrennung
oder Verbrennung welcher Art auch immer stattfindet oder nötig wäre, daß deshalb
auch keinerlei Luft zugesetzt werden muß und folglich kein Rauchgas als Ballastgas
entstehen kann.
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Analog zur Modellrechnung A zeigt die nachfolgende Modellrechnung
B, welcher Vorteil dadurch erzielt wird: Modellrechnung B: (indirekte Pyrolyse ohne
Vortrocknung) a) für die Abfallaufwärmung werden verbraucht: 1 kgA . 0,8 kJ/kgA
. 500 "C = 400 kJ/kgA für die Entgasung 200 kJ/kA b) für die Verdampfung des Feuchtewassers:
(0,25 : 0,75) . 2258 = 753 kJ/kgA dabei entsteht an Wasserdampf (0,25 : 0,75/ :
0,804 = 0,41 Nm'/kgA c) Da diese Prozesse durch Wärmezuführung von außerhalb des
Pyrolyseofens gespeist werden, bleibt der Heizwert des vergasbaren Abfallteils dem
Pyrolysegas voll erhalten.
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Wenn der Abfall zu 72 % entgast wird, entsteht ein Pyrolysegas mit
0,72 . 8000 kJ/kgA : (0,6 + 0,41) Nm3/kgA also 5760 kJ/1,01 Nm3 --t 5703 kJ/Nm3
Heizwert.
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d) Seine theoretische Verbrennungstemperatur beträgt: e) tmax = 5703
: (0,31 . 5,7 . 1,68* + 0,41 . 1,84*) = = 1533 "C aus Gründen der leichteren Vergleichbarkeit
wird hier bei allen Rechnungen mit den gleichen Werten für die spezifische Gaswärme
gerechnet (kJ/"C m3).
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Für die Heizwertvarianten des Abfalls von 10.000 bzw.
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6000 kJ/kgA errechnet sie sich entsprechend zu 1597 bzw.
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1437 "C.
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Der zusätzliche Abgasverlust geht zurück auf: qv = (0,6 . 1,15 + 0,41)
. 1,47 . 330 = 529 kJ/kgA; damit würde sich die Ausnutzung des Heizwertes der vergasbaren
Anteile des Abfalls schon auf 93 % steigern bzw. auf 95 oder 91 % je nach dessen
Heizwert (wie bei A).
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Es zeigt sich also, daß die theoretische Verbrennungstemperatur des
Pyrolysegases bei dieser Art der Entgasung schon um mehr als 400 "C angestiegen
ist, so daß sie zwar für das technische Brennen von Kalk schon ausreichen würde;
für das Sintern von Zementklinker ist sie jedoch immer noch zu niedrig.
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Gemäß der Erfindung wird die Verbrennungstemperatur erheblich angehoben,
in dem der Abfall vor dem Pyrolysieren getrocknet wird, so daß das Pyrolysegas frei
von Wasserdampf anfällt - siehe Modellrechnung C: Modellrechnung C: Für die Abfallaufwärmung
wird die Wärme wieder indirekt - also von außen zugeführt -; die Wasserverdampfung
entfällt hier.
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Damit entsteht ein Pyrolysegas mit 0,6 . 8000 kJ/kgA : 0,6Nm3/kgA
8000 kJ/Nm3 Heizwert.
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Seine theoretische Verbrennungstemperatur beträgt: tmax = 8000 : (0,31
. 8,0 . 1,68) = 1920 °C.
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Die Verbrennungstemperatur ist in diesem Falle weitgehend unabhängig
vom Heizwert des Abfalls. Sie ist hoch genug, um einen Drehrohrofen für Zementklinker
damit ausschließlich zu befeuern.
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In diesem Falle entstehen auch keine zusätzlichen Abgasverluste mehr.
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Die vereinfachten Modellrechnungen zeigen, daß die Verbrennungstemperatur
des Pyrolysegases immer unabhängiger vom Heizwert des Abfalls wird, je weniger Ballastgas
es enthält. Da es aber praktisch kaum gelingen wird, das Pyrolysegas ganz frei von
unbrennbaren Gasbestandteilen zu bekommen, und da dieses Ballastgas das ganze Ofensystem
belastet, indem es die Gastemperatur senkt und die Gasmenge und damit auch die Gasgeschwindigkeit
erhöht, ist es immer vorteilhaft, zumindest den Teil an Wärme, der für die Karbonatzersetzung
benötigt wird, die nahezu isotherm bei etwa 850 "C abläuft, erst dort zuzuführen,
wo die Vorwärmung des Brenngutes gerade diese Temperatur erreicht hat, was immer
im heißesten, d.h. im Falle eines Zyklonvorwärmers in dessen unteren Teil der Fall
ist. Auf diese Weise läßt sich der Drehrohrofen thermisch um den Wärmeanteil entlasten,
den die Entsäuerung vom Gesamtwärmeverbrauch ausmacht und das ist bei den in Betracht
gezogenen Prozessen fast immer ungefähr die Hälfte. Damit ließe sich also der Durchsatz
durch den Ofen verdoppeln, wenn der Vorwärmer und das Abgassystem entsprechende
Kapazität haben, was sich bei-Neuanlagen von vornherein einplanen läßt.
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Soll dagegen eine vorhandene Ofenanlage auf Pyrolysegas umgestellt
werden, so läßt sich bei Zufeuerung der maximal möglichen Pyrolysegasmenge am Vorwärmer
der Durchsatz der Anlage um so mehr erhöhen und dann auch der spezifische Wärmeverbrauch
um so mehr senken, je ballastgasärmer das Pyrolysegas zur Verfügung gestellt werden
kann.
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Bei unstabilen Betriebsverhältnissen der Pyrolyseanlage wirken sich
die Schwankungen der Gasqualität bei Verfeuerung im Vorwärmer viel weniger störend
auf den Betrieb des Brennofensystems aus, als bei der Verfeuerung im Brennofen.
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Die erfindungsgemäß dem indirekt beheizten Pyrolyseofen vorzuschaltende
Trocknung des Abfalls ist besonders wirtschaftlich durch die Verwendung von Abgaswärme,
die vorteilhaft sowohl am Pyrolyseofen als auch vor allem am Brennofensystem in
reichlicher Menge zur Verfügung steht.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen,
daß die Abgase aus dem Trocknungsprozeß in den Vorwärmer zur Entstinkung an einer
Stelle eingeleitet werden, an der die Heißgase sich bereits unter die Entsäuerungstemperatur
des Brennprozesses abgekühlt haben. Da in diesem Temperaturbereich wesentlich mehr
Heißgaswärme vorhanden ist als für die Aufwärmung des Brenngutes auf die Entsäuerungstemperatur
benötigt wird, entsteht hierdurch kein oder kein wesentlicher Wärmeverlust.
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Die intensive Vermischung mit mehlbeladenem Heißgas läßt erwarten,
daß der Entstinkungseffekt auch bei Temperaturen unter 800 "C erzielt wird, die
normalerweise anzuwenden sind, womit diese Verfahrensweise eine besonders wirtschaftliche
Entstinkung ermöglicht.
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Die Zeichnung zeigt eine vorzugsweise Ausführung des Verfahrens gemäß
der Erfindung am Beispiel eines üblichen Wärmetauscherofensystems zum Brennen von
Zementklinker, bestehend aus dem Drehrohrofen 1, mit einem Rostkühler 2, einem vierstufigen
Zyklonvorwärmer 3, Abgasgebläse 4, Verdampfungskühler 5, Elektroentstaubung 6, Entstaubungsgebläse
7 und Abgaskamin 8.
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Aus dem Kühler 2 strömt vorgewärmte Sekundärluft in den Drehofen 1;
weniger hoch vorgewärmte Kühlerabluft wird über eine Zyklonentstaubung 9 mittels
Gebläse 10 abgesaugt.
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Ein indirekt beheizter Drehrohrofen dient als Pyrolyseofen 11.
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Der Abfall wird aus einem Bunker 12 über einen Zerkleinerer 13 in
einen Trommeltrockner 14 gefördert, von dem aus er nach der Trocknung über ein nicht
dargestelltes Schleusensystem in den Pyrolyseofen 11 eingeschleust wird.
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Dort wird er durch Wärmeeinwirkung durch die Ofenwand entgast. Die
dazu erforderliche Wärme wird in einer Brennkammer 15 erzeugt, in der Brennstoff
- u.U. auch Pyrolysegas - zusammen mit vorgewärmter Kühlluft verbrannt wird. Die
durch die Entgasung im Pyrolyseofen 11 frei werdenden fast 500 °C heißen Pyrolysegase
werden durch eine Leitung 16 in das unterste Steigrohr 17 des Zyklonvorwärmers 3
gesaugt und verbrennen dort zusammen mit überschüssiger heißer Luft aus dem Kühler
2, die mit den Abgasen des Drehrohrofens unten in den Vorwärmer eintritt. Durch
die Wärmeentbindung erfolgt bei ca.
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850 "C eine weitgehende Entsäuerung des Kalziumkarbonates im Rohmehl.
Die Heißgase aus der Brennkammer 15 geben einen Teil ihrer Wärme an den Pyrolyseofen
11 und den diesen durchlaufenden Abfall ab und verlassen dann die Heizkammer 18
mit immer noch hoher Temperatur von über 500 CC. Sie werden durch den Trommeltrockner
14 in den Vorwärmer gesaugt, in den sie mit etwa 200 °C in das Steigrohr zur dritten
Zyklonstufe eintreten. Sie werden hier auf über 600 "C aufgeheizt und dadurch entstinkt
und werden dann zusammen mit den Abgasen des Ofensystems 2, 1, 3 über dessen Abgassystem
4, 5, 6, 7, 8 abgesaugt, konditioniert, entstaubt und entfernt.
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Nach der Entgasung wird der aus den Abfällen entstandene Pyrolyserückstand
aus dem Pyrolyseofen ausgeschleust (nicht dargestellt) und durch ein Sieb 19 von
groben Metallrückständen befreit.
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Der feine Pyrolyse-Rückstand a kann dann zusammen mit Klinker b und
Gips c in einer Zementmühle 20 zu Zement vermahlen werden, wobei das Mischungsverhältnis
dieser drei Komponenten durch gezielte Dosierung aus Bunkern 21, 22 und 23 erfolgt,
um eine gleichmäßige Qualität zu gewährleisten.