DE69605209T2

DE69605209T2 - Verfahren und apparat zur herstellung von zementklinker

Info

Publication number: DE69605209T2
Application number: DE69605209T
Authority: DE
Inventors: Joseph Doumet
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-10-31
Filing date: 1996-07-29
Publication date: 2000-05-11
Anticipated expiration: 2016-07-30
Also published as: AU6835496A; RU2133234C1; BR9611399A; EP0858436B1; US5972104A; NO981889L; GR3032400T3; MX9803499A; WO1997016390A1; NO981889D0; CA2227470A1; CZ130598A3; ATE186714T1; CZ287081B6; CN1200714A; PT858436E; JPH11500706A; DE69605209D1; EP0858436A1; ES2140889T3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung von Zementklinker gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. dem Gattungsbegriff des Anspruches 10.
Sogenannter Portland-Zementklinker besteht im wesentlichen aus Alit (C&sub3;S) und Belit (C&sub2;S), Tricalciumaluminat (C&sub3;A) sowie Tetracalciumaluminatferrit (C&sub4;AF). Weitere Bestandteile sind insbesondere freies Magnesiumoxid sowie Alkalien.
Die Kühlung des Zementklinkers beeinflußt dessen Struktur, die mineralogische Zusammensetzung und die Eigenschaften des daraus erzeugten Zementes. Die Geschwindigkeit der Klinkerkühlung beeinflußt insbesondere das Verhältnis zwischen dem Gehalt an Kristall- und Glasphase im Klinker. Bei langsamer Kühlung erfolgt die Kristallbildung fast aller Klinkerkomponenten, während eine schnelle Kühlung die Kristallbildung hemmt und dabei die sogenannte Schmelzphase (2,95 Al&sub2;O&sub3; + 2,2 Fe&sub2; + MgO + Alkalien) in glasiger Form erstarren läßt. Der Anteil der Schmelzphase in Klinkern aus Drehöfen beträgt etwa 20 bis 28%.
Die schnelle Kühlung des Klinkers erhöht insbesondere die Sulfatbeständigkeit des Zementes gegen Sulfate (Magnesium, Natrium, Kalium, etc.), freie Alkalien und MgO-Kristalle (Periclase), die in die Glasbildung eingeführt werden. Dies läßt sich dadurch erklären, daß der für die Widerstandsfähigkeit des Zements gegen Sulfatlösungen verantwortliche Gehalt an C&sub3;A durch schnelles Klinkerkühlen Teil des Glases wird, und ebenso freie Alkalien und MgO (Periclase). Der Zement wird da her widerstandsfähig gegen einen Angriff von Sulfaten. Da die freien Alkalien verschwinden, werden sie auch nicht mehr die Kieselerde in Aggregaten angreifen.
Einen Zementklinker, der im wesentlichen nur aus Alit, Belit und Glas besteht, d. h. bei dem C&sub3;A und C&sub4;AF im Glas gebunden sind, könnte man als. Glas-Portland-Zement bezeichnen. Er zeichnet sich insbesondere durch eine besondere Widerstandsfähigkeit gegen Umwelteinflüsse aus, ohne daß dabei seine Festigkeit eingeschränkt ist.
Wenngleich der sogenannte Glas-Portland-Zement bereits im Labor hergestellt worden ist, wurde bisher kein Verfahren bekannt, das seine kommerzielle Herstellung gestattet.
Mit den aus der Praxis bekannten Klinkerkühlverfahren, insbesondere mit Hilfe von sogenannten Rostkühlern, ist die erforderliche Abkühlgeschwindigkeit nicht erreichbar.
Aus der DD-A-206 422 ist ein Verfahren zur Herstellung von aktivem Belit-Zement bekannt. Hierbei wird der Belitklinker aus dem Drehofen in eine ersten Kühlstufe aufgegeben, in die gleichzeitig Braunkohlestaub und niedertemperaturiges Abgas eingebracht werden. Das zugeführte Abgas enthält insbesondere Kohlendioxid und Wasserdampf. Dadurch kommt es zu einer Vergasung des zugeführten Brennstoffs mit Wasserdampf bzw. mit Kohlendioxid, wobei diese Vergasungsreaktionen dem Zementklinker die notwendige Reaktionsenthalpie entziehen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Anlage zur industriellen Herstellung von Glas-Portland-Zement anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 10 gelöst. Erfindungsgemäß wird der in der ersten Kühlphase zugeführte Brennstoff mit dem Zementklinker vermischt und zunächst pyrolysiert. Die dabei entstehenden Pyrolyseprodukte reagieren stark endothermisch mit dem Wasserdampf, wodurch der Zementklinker derart abgeschreckt wird, daß die in ihm vorhandene Schmelzphase zu wenigstens 95%, vorzugsweise vollständig, in Glas umgewandelt wird.
Die bei der Pyrolyse entstehenden gasförmigen Pyrolyseprodukte reagieren unmittelbar mit dem Wasserdampf. Dadurch läßt sich der Zementklinker von seiner Brenntemperatur in der Größenordnung von 1.450ºC in wenigen Sekunden auf 1.250ºC abschrecken. Dieser schnelle Abkühlvorgang bewirkt die Umwandlung der flüssigen Klinkerbestandteile C&sub3;A und C&sub4;AF in Glas, einschließlich freier Alkalien und MgO (Periclase).
Die weitere Kühlung erfolgt durch die allgemein bekannte Vergasung des Brennstoffs mit Wasserdampf, die ebenfalls endothermisch abläuft, jedoch im Vergleich zur Reaktion der gasförmigen Pyrolyseprodukte mit Wasserdampf wesentlich langsamer erfolgt.
Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und werden anhand der Beschreibung und der Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anlage und
Fig. 2 eine Schnittdarstellung längs der Linie II-II der Fig. 1.
Anhand der Fig. 1 und 2 wird zunächst die erfindungsgemäße Anlage zur Herstellung von Zementklinker beschrieben. Sie besteht im wesentlichen aus einem Drehofen 21 zum Brennen des Zementklinkers, einer als Reaktor 23 ausgebildeten ersten Kühlstufe sowie einer beispielsweise als Rostkühler 22 ausgebildeten zweiten Kühlstufe.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Reaktor 23 als im Durchmesser vergrößerter Teil des Drehofens 21 ausgebildet und an dessem Auslaßende angeordnet. Der Drehofen 21 weist an seinem Auslaßende einen Ofenkopf 21a auf, der zusammen mit einer Verbindungseinrichtung 24 den Übergang vom Drehofen 21 zum Rostkühler 22 darstellt.
Der Ofenkopf 21a sowie die Verbindungseinrichtung 24 sind auf herkömmliche Weise ausgestaltet. In der Verbindungseinrichtung 24 ist ein Brecher, vorzugsweise ein Walzenbrecher 25, angeordnet, der zweckmäßigerweise von innen durch demineralisiertes Wasser gekühlt wird. Der Klinker wird hier beispielsweise auf eine Partikelgröße von 25 mm zerkleinert, bevor er zu einer Zellenradschleuse 26 gelangt, die den Zementklinker dem Rostkühler 22 zuführt. Die Zellenradschleuse 26 wird vor zugsweise auch von innen mit demineralisiertem Wasser gekühlt. Im Rostkühler 22 wird der im Reaktor 23 bereits vorgekühlte Zementklinker mittels Luft weiter abgekühlt. Die dabei erwärmte Kühlluft wird als Sekundärluft 27 bzw. als Tertiärluft 28 in der üblichen Art und Weise als Verbrennungsluft in der Anlage verwendet.
In der Verbindungseinrichtung 24 ist kurz vor der Zellenradschleuse 26 eine Druckmeßeinrichtung 29 vorgesehen, die über eine Steuereinrichtung 30 die ersten beiden Ventilatoren 31a und 31b des Rostkühlers 22 in der Geschwindigkeit derart steuert, daß sich im Bereich der Druckmeßeinrichtung 29 kein Druck aufbaut.
Die vom Rostkühler 22 erzeugte Sekundärluft 27 wird über eine Sekundärluftleitung 31 im Bereich des Ofenkopfes 21a in den Drehofen 21 eingeführt. Die Sekundärluftleitung 31 ist doppelwandig ausgebildet und wird mit demineralisiertem Wasser gekühlt. In der Mitte der Sekundärluftleitung 31 ist ein zusätzlicher Brenner 32 für beliebigen Brennstoff vorgesehen.
Der in diesem Ausführungsbeispiel dargestellte Reaktor ist im Durchmesser etwa dreimal so groß wie der Drehofen 21 und die Breite des Reaktors entspricht etwa 1/5 seines Durchmessers.
Die Abstützung des Drehofens 21 erfolgt im dargestellten Ausführungsbeispiel im Bereich des Reaktors 23 über zwei Laufrollenstationen 36, 37, die jeweils kurz vor bzw. kurz nach dem Reaktor angeordnet sind. Eine weitere Laufrollenstation ist zumindest im Bereich des Ofenauslasses vorzusehen. Mit den beiden vor bzw. nach dem Reaktor 23 vorgesehenen Laufrollenstationen kann das zusätzliche Gewicht durch den Reaktor 23 am besten verteilt werden. Jede Laufrollenstation besteht aus zwei Laufrollen. In Fig. 1 sind die beiden Laufrollen 36a, 37a der Laufrollenstationen 36, 37 sichtbar.
Der Reaktor 23 weist ferner eine als Schneckenförderer 33 ausgebildete Einrichtung zum Aufgeben eines Brennstoffs, insbesondere eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffs, auf. Der Schneckenförderer ist wiederum doppelwandig ausgebildet und wird mit demineralisiertem Wasser gekühlt. Die Aufgabestelle des Brenngutes liegt im Eintrittsbereich des heißen Zementklinkers in den Reaktor 23.
Der im Reaktor 23 benötigte gesättigte Wasserdampf wird vollständig oder teilweise aus dem Kühlwasser der verschiedenen, oben beschriebenen Anlagenteile gewonnen. Ferner weist der Reaktor 23 eine Einrichtung 34 zum Einblasen des Wasserdampfes in den mit dem Brennstoff vermischten Zementklinker auf. Diese Einrichtung ist parallel zu den den Reaktor 23 begrenzenden Wänden angeordnet und ist in Form einer Platte ausgebildet, deren Kanten abgekantet sind, um einen möglichst geringen Widerstand für den in den Reaktor kommenden Klinker zu bilden. Der Dampf wird vorzugsweise im Bereich des Bodens des Reaktors 23 ausströmen.
Am unteren Ende des Reaktors 23 ist ferner eine verschließbare Öffnung 23a vorgesehen, um den im Reaktor befindlichen Klinker über eine gestrichelt dargestellte Fördereinrichtung 35 zum Rostkühler 22 zu transportieren, wenn ein längerer Ofenstop erforderlich ist.
Bei der Herstellung von Zementklinker mit Hilfe der oben beschriebenen Anlage wird der Zementklinker zunächst im Drehofen 21 in einer Brennzone gebrannt und gelangt anschließend in den Reaktor 23. Der dort ebenfalls zugeführte Brennstoff, insbesondere kohlenstoffhaltiger Brennstoff mit pyrolysierfähigem Anteil, wird in einer ersten Kühlphase mit dem Zementkliniker vermischt und pyrolysiert. Die dabei entstehenden Pyrolyseprodukte, wie insbesondere CO&sub2;, CO, Kohlenwasserstoffe und Teer reagieren mit dem ebenfalls zugeführten Wasserdampf stark endothermisch. Eine besonders schnelle Reaktion erfolgt dabei zwischen den gasförmigen Pyrolyseprodukten und Wasserdampf, so daß der Zementklinker derart abgeschreckt wird, daß die in ihm vorhandene Schmelzphase zu wenigstens 95%, vorzugsweise vollständig, in Glas umgewandelt wird.
In dieser ersten Kühlphase wird der Zementklinker von der Brenntemperatur in der Größenordnung von 1.450ºC auf etwa 1.250ºC abgeschreckt, wobei die Abkühlgeschwindigkeit der ersten Kühlphase zwischen 600 K/min und 6.000 K/min liegt.
Bei der Reaktion zwischen Pyrolyseprodukten und Wasserdampf entstehen Gase wie H&sub2;, CO, CO&sub2; und C&sub1;- bis C&sub4;- Kohlenwasserstoffe.
In einer zweiten Kühlphase, die weiterhin im Reaktor 23 stattfindet, erfolgt vornehmlich eine Vergasung des zugeführten Brennstoffs sowie der noch vorhandenen Pyrolyseprodukte mit Wasserdampf. Diese Vergasungsreaktion verläuft wiederum endothermisch und entzieht dem Zementklinker die notwendige Reaktionsenthalpie. Bei der Vergasung kommt es insbesondere zu folgenden Reaktionen:
C + H&sub2;O ---> H&sub2; + CO,
CO + H&sub2;O. ---> H&sub2; + CO&sub2;,
C + CO&sub2; ---> 2CO
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Zementklinker wird dieser somit zunächst in einer ersten Kühlphase von etwa 1.450ºC auf 1.250ºC innerhalb weniger Sekunden abgeschreckt. In der zweiten Kühlphase erfolgt die weitere Abkühlung des Zementklinkers hauptsächlich durch endotherme Vergasung. In der dritten Kühlphase wird der auf beispielsweise 1.000 bis 1.100 ºC abgekühlte Zementklinker dem Rostkühler aufgegeben.
Die Menge an Kohle oder das Verhältnis zwischen Kohle und in den Reaktor eingeführtem flüssigem oder gasförmigem Brennstoff zur Erzeugung einer ausreichenden Menge an schnell vergasten Produkten durch Pyrolyse ist vollkommen unabhängig von dem zur Vorcalcinierung am Vorwärmerauslaß (vor dem Ofeneinlaß) benötigten Brennstoff. Die für den Verbrennungsvorgang notwendige Luft wird über die Sekundärluftleitung 31 in den Drehofen eingeführt. Die Temperatur der Sekundärluft beträgt ungefähr 750ºC. Der zusätzliche Brenner 32 in der Mitte der Sekundärluftleitung 31 wird insbesondere beim Anfahren des Drehofens verwendet und kann auch dann zum Einsatz kommen, wenn das im Reaktor 23 produzierte Brenngas nicht ausreicht, um das Rohmehl in der Sinterzone zu Klinker zu sintern.
Um eine möglichst vollständige Umwandlung der Schmelzphase in Glas zu erreichen, ist eine gründliche Vermi schung des Brennstoffs mit dem Zementklinker und ein möglichst gleichmäßiges Einblasen des Wasserdampfes erforderlich. Die Einrichtung 34 zum Einführen des Wasserdampfes ist normalerweise stationär vorgesehen. Sie kann jedoch auch in Richtung der Drehbewegung der Drehofen-Reaktoranordnung hin- und herbeweglich angeordnet werden, um die wirksamste Stelle für die chemischen Reaktionen zu erreichen.
Flüssige und/oder gasförmige Brennstoffe reagieren in der ersten Kühlphase wesentlich schneller als fester, kohlenstoffhaltiger Brennstoff, da dieser erst durch eine Pyrolyse aufgeschlossen werden muß. Zur Einstellung einer ausreichenden Abkühlgeschwindigkeit kann daher zusätzlicher Brennstoff in flüssiger und/oder gasförmiger Form in den Reaktor 23 eingeführt werden. Hierfür eignen sich insbesondere ähnliche Einrichtungen wie sie zum Einblasen des Wasserdampfes verwendet werden. Die Abkühlgeschwindigkeit der ersten Kühlphase kann dann zwischen 600 K/min und 6.000 K/min eingestellt werden.
Die Durchmischung des zugeführten Brennstoffs mit dem Zementklinker erfolgt in dem erfindungsgemäßen Reaktor besonders zuverlässig. Da sich dieser mit dem Drehofen bewegt, findet eine ständige Bewegung des eingeführten Zementklinkers statt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Reaktor innen mit keramischen Hubsteinen zum Anheben des Zementklinkers versehen sein. Dies bewirkt eine noch intensivere Durchmischung und zudem kommt es durch den angehobenen und dann herunterfallenden Zementklinker zu einer Zerkleinerung desselben, so daß eine Homogenisierung der Größe der Zementklinker klumpen stattfindet. Dies wiederum gewährleistet eine gleichmäßige Kühlung des Zementklinkers.
Beim Start der Drehofen-Reaktoranordnung wird der in der Sekundärluftleitung 31 befindliche zusätzliche Brenner 32 verwendet. Wenn sich das Brennstoff-Wasserstoff-Verhältnis auf die Kapazität des Reaktors 23 eingestellt hat, kann der Brennvorgang im Drehofen unabhängig vom zusätzlichen Brenner 32 betrieben werden, wobei der verbrauchte Brennstoff, die Regulierung der Flamme und die Menge des dem Drehofen zugeführten Brennstoffs sowie der Vorcalcinationsgrad berücksichtigt werden müssen.
Mit Hilfe des oben beschriebenen Reaktors 23 gelangt der heiße Zementklinker bereits vorgekühlt in den Rostkühler 22, so daß die gesamte im Rostkühler zu verwendende Luftmenge als Sekundärluft für den Drehofen und als Tertiärluft zur Vorcalcinierung. Die vom Kühler 22 verwendete Luft reicht aus und es gibt keine überschüssige Luftmenge und es muß daher keine überschüssige Wärmemenge an die Atmosphäre abgegeben werden. Auf diese Weise können zwischen 75 und 100 kcal/kg an Energie eingespart werden. Ferner kann auf Filter und Reinigungseinrichtungen für die ansonsten in die Atmosphäre abzugebenden Luftmengen verzichtet werden. Das im Reaktor produzierte Gas (CO + H&sub2;) trifft auf die Sekundärluft mit einer Temperatur von ungefähr 1.000ºC, während die Sekundär- und Tertiärluft etwa 750ºC heiß ist. Die Temperatur der Flamme kann daher leicht Temperaturen zwischen 2.300 und 2.500ºC erreichen. Durch diese hohe Temperatur der Flamme kann der Brennprozeß wesentlich leichter gesteuert werden. Auch das für den Schutz der Auskleidung der Brennzone erforderliche An backen des Klinkers läßt sich wesentlich einfacher steuern.
Indem der Zementklinker im Reaktor 23 innerhalb weniger Sekunden um 200 bis 250ºC abgeschreckt wird, kristallisiert lediglich Alit und Belit. Als weiterer Bestandteil ist lediglich Glas vorhanden, in dem insbesondere C&sub3;A, C&sub4;AF, Alkalien und Magnesiumoxid gebunden sind. Einen derartigen Zementklinker könnte man als Glas- Portland-Zement bezeichnen.
Die bei der Vergasungsreaktion verwendeten Brennstoffaschen müssen nicht bei der Rohstoffzusammensetzung berücksichtigt werden. Diese Aschen bilden einen Füllstoff im Klinker. Steinkohle und Braunkohle mit hohen Ascheanteilen sowie Kohlen mit flüchtigen Bestandteilen sind daher besonders geeignet. Der dem Reaktor 23 zugeführte Brennstoff muß weder getrocknet noch zerkleinert werden und kann beispielsweise in Form von 5 bis 10 mm- Partikeln aufgegeben werden.
Die Calciumsulfate werden durch die schnelle Abschreckung im Klinker gebunden und gelangen als CaSO&sub4; (Anhydrit) in den Klinker.
Damit vereinfachen sich die Schwefelprobleme des Drehofens erheblich und ermöglichen die Verwendung von Brennstoffen mit einem höheren Schwefelgehalt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Zementklinker, wobei der Zementklinker zunächst in einer Brennzone gebrannt und anschließend in einer Kühlzone abgekühlt wird, wobei das Abkühlen zumindest teilweise durch Zuführen von Brennstoff und Wasserdampf erfolgt,

dadurch gekennzeichnet, daß der zugeführte Brennstoff in einer ersten Kühlphase mit dem Zementklinker vermischt und zunächst pyrolysiert wird und die dabei entstehenden Pyrolyseprodukte mit dem Wasserdampf stark endothermisch reagieren, wodurch der Zementklinker derart abgeschreckt wird, daß die in ihm vorhandene Schmelzphase zu wenigstens 95%, vorzugsweise vollständig, in Glas umgewandelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Brennstoff kohlenstoffhaltiger Brennstoff mit pyrolysierfähigem Anteil zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der Abkühlgeschwindigkeit in der ersten Kühlphase flüssiger und/oder gasförmiger Brennstoff zugegeben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlgeschwindigkeit in der ersten Kühlphase zwischen 600 K/min und 6.000 K/min liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zementklinker in der ersten Kühlphase um etwa 200 K abgekühlt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zementklinker in der ersten Kühlphase von der Brenntemperatur in der Größenordnung von 1.450ºC auf 1.250ºC abgeschreckt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Vermischen des Brennstoffs mit dem Zementklinker gleichzeitig eine Zerkleinerung des Zementklinkers stattfindet.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer zweiten Kühlphase eine Vergasung des zugeführten Brennstoffs mit Wasserdampf erfolgt, wobei die Vergasungsreaktion dem Zementklinker die notwendige Reaktionsenthalpie entzieht.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Vergasungsreaktion entstehenden Brenngase beim Brennen des Zementklinkers in der Brennzone verwendet werden.

10. Anlage zum Herstellen von Zementklinker nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, mit

a) einem Drehofen (21) zum Brennen des Zementklinkers,

b) einem Kühler (22) zum Kühlen des gebrannten Zementklinkers,

c) einer Einrichtung (33) zum Zuführen eines Brennstoffs,

d) einer Einrichtung (34) zum Einblasen von Wasserdampf, dadurch gekennzeichnet, daß

e) ein Reaktor (23) vorgesehen ist, der die Einrichtung (33) zum Aufgeben des Brennstoffs und die Einrichtung (34) zum Einblasen des Wasserdampfs aufweist, und

f) der Reaktor (23) als Teil des Drehofens ausgebildet ist und mit diesem rotiert.

11. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor als im Durchmesser vergrößerter Teil des Drehofens (21) ausgebildet ist.

12. Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (23) im wesentlichen unmittelbar vor dem Austragsende des Drehofens (21) angeordnet ist.

13. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehofen (21) unmittelbar vor und hinter dem Reaktor (23) abgestützt ist.

14. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor mit einer weiteren Anordnung zum Einführen von flüssigem und/oder gasförmigem Brennstoff versehen ist.