DE102010008785B4

DE102010008785B4 - Verfahren zur thermischen Behandlung von Zementrohmehl in einem Reaktionsraum

Info

Publication number: DE102010008785B4
Application number: DE201010008785
Authority: DE
Inventors: Henning Brinkschulte; Dr. Lampe Karl; Daniel Klegraf; Alfons Leuer
Original assignee: Polysius AG
Current assignee: Thyssenkrupp Polysius De GmbH
Priority date: 2010-02-23
Filing date: 2010-02-23
Publication date: 2011-09-01
Anticipated expiration: 2030-02-24
Also published as: EP2382434A1; DE102010008785A1; WO2011104049A1

Abstract

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird Zementrohmehl in einem Reaktionsraum thermisch behandelt, wobei der Reaktionsraum einen Boden mit einer Vielzahl von Druckluftdüsen zum Transport am Boden befindlichen Brenn- oder Restbrennstoffen aufweist, wobei die Druckluftdüsen in Transportrichtung sowohl nebeneinander als auch hintereinander angeordnet sind und in separat ansteuerbare Gruppen von ein oder mehreren Druckluftdüsen aufgeteilt sind, wobei die Druckluftdüsen einer Gruppe gleichzeitig aktiviert werden. Es sind folgende Verfahrensschritte vorgesehen: a. Aufgabe von Zementrohmehl, b. Aufgabe von Brennstoff, c. Zugabe von Verbrennungsluft, d. Abführen der entstehenden Abgase zusammen mit dem thermisch behandelten Zementrohmehl, e. Aktivierung der Druckluftdüsen zum Transport der am Boden befindlichen Brenn- oder Restbrennstoffe. Alle Gruppen der Druckluftdüsen werden zeitlich aufeinanderfolgend aktiviert, wobei die Reihenfolge so gewählt wird, dass der überwiegende Teil der zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgenden Aktivierungen durch Gruppen erfolgt, die in oder quer zur Transportrichtung nicht direkt benachbart angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Zementrohmehl in einem Reaktionsraum.
Bei der Herstellung von Zementklinker wird zunächst Zementrohmehl in einer Vorwärmzone vorgewärmt, darin in einer Calcinierzone vorcalciniert und anschließend in einer Sinterbrennzone fertiggebrannt, bevor der gebrannte Kliniker in einer Kühlzone abgekühlt wird.
Die Zementherstellung hat einen sehr hohen Wärmebedarf, der bislang vornehmlich durch fossile Brennstoffe gedeckt wurde, in neuerer Zeit aber zunehmend durch stückige Ersatzbrennstoffe, die in verschiedenen Bereichen der Industrie und im Privatbereich als Abfallstoffe anfallen, kostengünstig substituiert wird. Dadurch stellen sich neue Anforderungen an die Reaktionstechnik hinsichtlich der Prozessführung, der Emissionen und des Ausbrandes.
Der Einsatz von Ersatzbrennstoffen hat die Prozessführung in der Zementindustrie maßgeblich beeinflusst und verändert. Zur Sicherung einer hohen Verfügbarkeit sind aufwendige Prozessregelungssysteme erforderlich. Dies betrifft insbesondere die Steuerung der Materialströme, die bei der Nutzung von Ersatzbrennstoffen sehr vielseitig sein können, und an unterschiedlichen Stellen eingetragen werden. Im Allgemeinen erfolgt der Eintrag der Materialien auf mechanischem oder pneumatischem Wege. In den Reaktionskammern werden die festen Stoffströme entweder mittels mechanischer Vorrichtungen entlang eines festen Bodens oder im Flugstrom transportiert.
Für die thermische Zersetzung fester Brennstoffe ist im Speziellen die Kombination separater Brennkammer mit Calcinatoren in Anlagen zur Zementherstellung bekannt. Derartige Brennkammern sind entweder als Zykloidfeuerung mit kurzen Verweilzeiten oder als Wirbelschichtfeuerung mit hohen Anforderungen an den Aufbereitungsgrad der Einsatzstoffe ausgeführt. Brennkammern als Drehrohre oder als Rostfeuerung mit beweglichen Transportelementen sind entweder sehr aufwendig oder auch störanfällig und bieten wenig Möglichkeiten den Verbrennungsprozess gezielt zu optimieren. Für den Einsatz von Ersatzbrennstoffen ist es jedoch von essentieller Bedeutung, einerseits eine stationäre und homogene Freisetzung der Brennstoffkomponenten zu gewährleisten und andererseits die Verweilzeit gezielt den Brennstoffqualitäten anpassen zu können.
In der DE 10 2005 052 753 A1 wird eine Brennkammer beschrieben, die das Prinzip der Unterschubfeuerung als Transportvorrichtung und Verbrennungsverfahren nutzt. Der Vorteil der Unterschubfeuerung liegt in dem homogenen, stationären Eintrag und Transport der Brennstoffe. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass sich hohe Anforderungen an den Aufbereitungsgrad der eingesetzten stückigen Brennstoffe ergeben. Weiterhin wirkt sich inhomogene Verteilung der Brennstoffpartikel im Brennstoffbett und die fehlende Möglichkeit gezielt auf die Verweilzeit der Brennstoffe Einfluss zu nehmen, nachteilig aus.
In der DE 10 2004 045 510 A1 wird eine Brennkammer beschrieben, die es ermöglicht, den Eintrag und Umsatz von Ersatzbrennstoffen ohne zusätzliche mechanische Einbauten sicherzustellen. Der Transport des Brennstoffes erfolgt durch Aktivierung von Druckluftdüsen, die am Boden der Brennkammer angeordnet.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Betätigung der Druckluftdüsen dahingehend zu verbessern, dass eine homogene thermische Zersetzung der aufgegebenen Brennstoffe gewährleistet wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird Zementrohmehl in einem Reaktionsraum thermisch behandelt, wobei der Reaktionsraum einen Boden mit einer Vielzahl von Druckluftdüsen zum Transport von am Boden befindlichen Brennstoffen aufweist, wobei die Druckluftdüsen in Transportrichtung sowohl nebeneinander als auch hintereinander angeordnet sind und in separat ansteuerbare Gruppen von ein oder mehreren Druckluftdüsen aufgeteilt sind, wobei die Druckluftdüsen einer Gruppe gleichzeitig aktiviert werden und folgende Verfahrensschritte vorgesehen sind:

a. Aufgabe von Zementrohmehl,
b. Aufgabe von Brennstoff,
c. Zugabe von Verbrennungsluft,
d. Abführen der entstehenden Abgase zusammen mit dem thermisch behandelten Zementrohmehl und
e. Aktivierung der Druckluftdüsen zum Transport der am Boden befindlichen Brennstoffe.

Alle Gruppen der Druckluftdüsen werden zeitlich aufeinanderfolgend aktiviert, wobei die Reihenfolge so gewählt wird, dass der überwiegende Teil der zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgenden Aktivierungen durch Gruppen erfolgt, die in oder quer zur Transportrichtung nicht direkt benachbart angeordnet sind.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Brennstoff an einem Ende des Bodens aufgegeben und zumindest teilweise durch die Aktivierung der Druckluftdüsen zum anderen Ende des Bodens transportiert. Die Aufgabe des Brennstoffs kann beispielsweise durch eine Schnecke, einen Schieber, ein umlaufendes Kettensystem oder auch pneumatisch erfolgen.
Weiterhin können spezielle Einstellbedingungen bei besonderen Betriebszuständen vorgesehen werden. Dies ist beispielsweise im Anfahrbetrieb, bei Systemstörungen, bei Änderungen der Brennstoffqualität, bei Änderungen der Brennstoffart oder beim Ausschalten des Reaktionsraumes der Fall. Hierbei kann die Aktivierung der Gruppen von Druckluftdüsen dergestalt erfolgen, dass der CO-Wert oder die Temperatur des aus dem Reaktionsraum abgeführten Abgases einen Maximalwert nicht überschreitet.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Beschreibung und der Zeichnung näher erläutert
In der Zeichnung zeigen
1 eine schematische Ansicht der Anlage zur Zementherstellung,
2 eine schematische Seitenansicht der Brennkammer,
3 eine Anordnung der Druckluftdüsen,
Die in 1 dargestellte Anlage zur Zementherstellung besteht im Wesentlichen aus einem Vorwärmer 1, einem Calcinator 2, einer Brennkammer 3, einem Drehrohrofen 4 und einem Kühler 5. Im Betrieb der Anlage wird Zementrohmehl 6 im oberen Bereich des Vorwärmers 1 zugeführt, dann in den einzelnen Stufen des Vorwärmers vorgewärmt und schließlich im Calcinator 2 und der Brennkammer 3 calciniert. Anschließend wird das so vorbehandelte Zementrohmehl im Drehrohrofen 4 zu Zementklinker gebrannt, der schließlich im Kühler 5 abgekühlt wird.
Die in 2 vergrößert dargestellte Brennkammer 3 weist einen Reaktionsraum 30, einen Boden 31, eine Vielzahl von schematisch angedeuteten Druckluftdüsen 32 und Mittel 33 zur Aufgabe von Brennstoff 7 auf. Weiterhin sind im Bereich der Decke 34 der Brennkammer 3 Mittel 35 zur Aufgabe von Verbrennungsluft 8 und Mittel 36 zur Aufgabe von Zementrohmehl, insbesondere von vorgewärmtem Zementrohmehl 6' vorgesehen. Das im Vorwärmer vorgewärmte Zementrohmehl 6' kann aber auch zusammen mit der Verbrennungsluft 8 (1) dem Reaktionsraum 30 zugeführt werden (siehe 1).
Die Mittel 33 zur Aufgabe des Brennstoffs 7, bei dem es sich beispielsweise um stückigen Ersatzbrennstoff handelt, sind beispielsweise als Förderschnecke ausgebildet, die den Brennstoff seitlich in den Reaktionsraum 30 im Bereich des einen Endes des Bodens 31 einbringt. Für den Eintrag und ggf. auch für den ersten Transport in der Brennkammer können auch Schubbalken oder ein Schubboden zum Einsatz kommen. Auch ein pneumatischer Eintrag ist denkbar.
Der Boden ist im dargestellten Ausführungsbeispiel treppenförmig ausgebildet, wobei in jeder Setzstufe fünf Druckluftdüsen 32 angeordnet sind. Die neun vorhandenen Stufen mit den zugehörigen Druckluftdüsen ergeben somit die in 3 dargestellte Anordnung der Druckluftdüsen. Selbstverständlich können im Rahmen der Erfindung auch eine andere Anzahl und eine andere Anordnung der Druckluftdüsen gewählt werden. Auch kann ein im Wesentlichen glatter, horizontaler oder geneigter Boden anstelle des treppenförmigen Gebildes zum Einsatz kommen. Die Ausrichtung der Druckluftdüsen wird zweckmäßigerweise so gewählt, dass je nach Ausgestaltung des Bodens ein ausreichender Transport der Brennstoffe sichergestellt ist.
Während der Brennstoff 7 am oberen Ende des Bodens 31 aufgegeben wird, ist am unteren Ende eine Austragsöffnung 37 zum Abführen der entstehenden Abgase zusammen mit dem thermisch behandelten Zementrohmehl vorgesehen. Die Brennkammer 3 ist mit der Austragsöffnung 37 an den als Steigleitung ausgebildeten Teil des Calcinators 2 angekoppelt. Es ist aber auch denkbar, dass die Brennkammer 3 direkt an den Einlaufbereich des Drehrohrofens 4 angeschlossen wird.
Die thermische Zersetzung des Brennstoffs 7 erfolgt mit Hilfe der Verbrennungsluft 8, bei der sich beispielsweise um heiße Tertiärluft des Kühlers 5 handelt. Durch eine gezielte Aktivierung der Druckluftdüsen 32 wird der Brennstoff 7 in Transportrichtung 9 zur Austragsöffnung 37 transportiert, wobei er mit der Verbrennungsluft 8 in Kontakt kommt und dadurch thermisch umgesetzt wird. Das gleichfalls zugeführte Zementrohmehl 6' wird dabei thermisch behandelt und dient ggf. auch zur Regelung der Temperatur im Reaktionsraum 30. In der Ruhephase zwischen zwei Abschüssen werden weitere flüchtige Anteile infolge der Wärmeeinwirkung der Verbrennungszone aus der Schüttung ausgetrieben, steigen in die Verbrennungszone auf und verbrennen dort nach Mischung mit der heißen Tertiärluft.
Die Druckluftdüsen 32 sind als speziell gestaltete Heißbranddüsen ausgebildet, die mit einem Druckluftbehälter in Verbindung stehen. Wenngleich es grundsätzlich denkbar wäre, dass jede Druckluftdüse einem eigenen Druckluftbehälter zugeordnet ist, wird es vielfach praktikabler und vor allem kostengünstiger sein, wenn mehrere Druckluftdüsen an einen Druckluftbehälter angeschlossen sind.
Bei einer Aktivierung einer Druckluftdüse wird durch das Aufwirbeln des Brennstoffes 7 das bereits entstandene Brennstoffgas auf einen Schlag freigesetzt. Werden nun benachbarte Düsen unmittelbar hintereinander aktiviert, so wird dort lokal mehr Brennstoff freigesetzt als Sauerstoff für die Verbrennung zur Verfügung steht. Aus diesem Grund würde in solchen Fällen vermehrt CO im Abgas entstehen. Die wichtigste Vorgabe besteht daher darin, dass Druckluftdüsen (bzw. alle Gruppen der gleichzeitig aktivierbare Druckluftdüsen) zeitlich aufeinanderfolgend aktiviert werden, wobei die Reihenfolge so gewählt wird, dass der überwiegende Teil der zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgenden Aktivierungen durch Druckluftdüsen bzw. Gruppen erfolgt, die in oder quer zur Transportrichtung 9 nicht direkt benachbart angeordnet sind. Auf diese Weise kann eine lokale, sehr starke CO-Entwicklung vermieden werden.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Boden 31 aus neun Stufen mit jeweils fünf Druckluftdüsen 32. Der Druckluftimpuls wird so eingestellt, dass er den der jeweiligen Druckluftdüse 32 zugeordneten Bereich einer Stufe frei bläst. Auf diese Weise wird der Brennstoff in Transportrichtung 9 zur Austragsöffnung 37 transportiert und dabei immer weiter zersetzt. Es ist daher zweckmäßig, dass die Aktivierung der Druckluftdüsen 32 entgegen der Transportrichtung 9 erfolgt, indem die Druckluftdüsen 32 der unteren Stufen zuerst und die der oberen Stufen zuletzt aktiviert werden. Auf diese Weise wird auch sichergestellt, dass ein frei geblasener Bereich einer Stufe des Bodens 31 relativ zeitnah, wenngleich nicht unmittelbar. durch eine nächste Aktivierung, durch die Aktivierung der nächsthöheren Druckluftdüse 32 wieder mit Brennstoffstoff bedeckt wird. Auf diese Weise wird der Boden durch den Brennstoff thermisch geschützt.
Weiterhin kann man bei der Aktivierung der Druckluftdüsen berücksichtigen, dass man in den Feldern 31a bis 31c unterschiedliche Verweilzeiten einstellt. Dies kann sinnvoll sein, wenn man davon ausgeht, dass der Brennstoff während des Transports unterschiedliche Reaktionszeiten aufweist. So ist z. B. denkbar, dass die Trocknung des Brennstoffs und die Ausgasung flüchtiger Bestandteile am Anfang schnell erfolgt. Im mittleren Teil der Brennkammer werden dann die festen Bestandteile des Brennstoffes verbrannt. Diese benötigen mehr Zeit zur Reaktion, weshalb in diesem Bereich eine größere Transportzeit eingestellt werden kann. Im untersten Teil der Brennkammer sind dann nur noch schwer brennbare Stoffe vorhanden, weshalb hier eine noch größere Verweilzeit eingestellt wird, um einen vollständigen Ausbrand zu gewährleisten.
Zusätzlich nimmt das zu transportierende Brennstoffvolumen vom Anfang bis zum Ende der Brennkammer ab. Die Steuereinrichtung muss daher in der Lage sein, die Verweilzeiten von oben nach oben stetig zu erhöhen, ohne das ein gleichmäßiger Transport vernachlässig wird. Des Weiteren kann die Intervallzeit zwischen der zeitlich aufeinanderfolgenden Aktivierung von Druckluftdüsen bzw. Gruppen von Druckluftdüsen in Abhängigkeit der Prozesstemperatur im Reaktionsraum 30, in Abhängigkeit des CO-Wertes des aus dem Reaktionsraum abgeführten Abgases oder in Abhängigkeit der Temperatur des aus dem Reaktionsraum abgeführten Abgases geregelt werden.
Das oben beschriebene Verfahren zeichnet sich durch eine sehr gute thermische Verwertung auch von schwierigen Brennstoffen, insbesondere von brennbaren Abfallprodukten aus.

Claims

Verfahren zur thermischen Behandlung von Zementrohmehl (6) in einem Reaktionsraum (30), der einen Boden (31) mit einer Vielzahl von Druckluftdüsen (32) zum Transport von am Boden (31) befindlichen Brennstoffen aufweist, wobei die Druckluftdüsen (32) in Transportrichtung (9) sowohl nebeneinander als auch hintereinander angeordnet sind und in separat ansteuerbare Gruppen von ein oder mehreren Druckluftdüsen aufgeteilt sind, wobei die Druckluftdüsen einer Gruppe gleichzeitig aktiviert werden und das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: a. Aufgabe von Zementrohmehl (6), b. Aufgabe von Brennstoff (7), c. Zugabe von Verbrennungsluft (8), d. Abführen der entstehenden Abgase zusammen mit dem thermisch behandelten Zementrohmehl, e. Aktivierung der Druckluftdüsen (32) zum Transport der am Boden befindlichen Brennstoffe, dadurch gekennzeichnet, dass alle Gruppen der Druckluftdüsen (32) zeitlich aufeinanderfolgend aktiviert werden, wobei die Reihenfolge so gewählt wird, dass der überwiegende Teil der zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgenden Aktivierungen durch Gruppen erfolgt, die in oder quer zur Transportrichtung nicht direkt benachbart angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff (7) an einem Ende des Bodens (31) aufgegeben wird und zumindest teilweise durch die Aktivierung der Druckluftdüsen (32) zum anderen Ende des Bodens transportiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Intervallzeit zwischen der zeitlich aufeinanderfolgenden Aktivierung der Gruppen in Abhängigkeit einer Prozesstemperatur im Reaktionsraum geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Intervallzeit zwischen der zeitlich aufeinanderfolgenden Aktivierung der Gruppen in Abhängigkeit eines CO-Wertes des aus dem Reaktionsraum abgeführten Abgases geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Intervallzeit zwischen der zeitlich aufeinanderfolgenden Aktivierung der Gruppen in Abhängigkeit einer Temperatur des aus dem Reaktionsraum abgeführten Abgases geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Anfahrbetrieb, bei Systemstörungen, bei Änderungen der Brennstoffqualität, bei Änderungen der Brennstoffart oder beim Abschalten des Reaktionsraums die Aktivierung der Gruppen von Druckluftdüsen (32) dergestalt geschieht, dass ein CO-Wert oder eine Temperatur des aus dem Reaktionsraum (30) abgeführten Abgases einen Maximalwert nicht überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Intervallzeit zwischen der zeitlich aufeinanderfolgenden Aktivierung der Gruppen und/oder ein Impuls von zu erzeugenden Druckluftstößen eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Variation einer Intervallzeit zwischen der zeitlich aufeinanderfolgenden Aktivierung der Gruppen eine Gesamtverweilzeit der Brennstoffe eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Intervallzeit zur Aktivierung nebeneinander oder hintereinander angeordneter Gruppen unterschiedlich eingestellt wird und dadurch unterschiedliche Verweilzeiten in Längs- und Querrichtung des Reaktionsraumes (30) einstellt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufgabe des Brennstoffs durch eine Schnecke, einen Schieber, ein umlaufendes Kettensystem oder auch pneumatisch erfolgt.