DE102017008500A1

DE102017008500A1 - ein Verfahren zur Zementklinkererzeugnung

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Publication number: DE102017008500A1
Application number: DE102017008500.5A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-09-04
Filing date: 2017-09-04
Publication date: 2019-03-07

Abstract

Zementklinker wird heute in modernen Drehrohrofenanlagen mit vorgeschaltetem Vorwärmer und nachgeschalteten Klinkerkühler in einem Hochtemperaturprozess unter großem Wärmeaufwand und Bildung erheblicher umweltrelevanter Emissionen (NO_x, CO₂) hergestellt.
Die Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zur Zementklinkererzeugung zu schaffen, das eine Steigerung des Prozesswirkungsgrads bei gleichzeitiger Reduzierung umweltrelevanter Emissionen realisiert.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch Gliederung der Zementklinkerproduktion in ein überwiegend endothermes und ein überwiegend exothermes Teilsystem.
Das überwiegend endotherme Teilsystem umfasst die vollständige Trocknung, Dehydrierung und Aktivierung (Entsäuerung) des Guts einschließlich der Hauptreaktionen zur Bildung von Belit sowie dessen Erhitzung auf eine Temperatur von ca. 1.200 °C und besteht aus einen als Activator (02) bezeichneten ein- oder mehrstufigen Gegenstrom-Wärmetauscher.
Das überwiegend exotherme Teilsystem umfasst die vollständige Bildung aller Klinkerphasen und Kristallisation der Schmelze und besteht aus einen als Sinterer (03) bezeichneten Gegenstrom-Wärmetauscher.
Der Wärmeenergiebedarf einer erfindungsgemäßen Anlage (01) wird gegenüber heutigen Verfahren um weit mehr als 10 % gemindert. Klima- und umweltrelevante Emissionen (NO_x, CO₂) aus thermisch und/oder brennstoffbedingter Bildung können ganz vermieden werden.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Zementklinkererzeugungsanlage (01) zur thermischen Behandlung von fein- bis grobkörnigem Gut, insbesondere Zementrohmaterialgemisch.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Zementklinkererzeugungsanlage zur thermischen Behandlung von fein- bis grobkörnigem Gut, insbesondere Zementrohmaterialgemisch. In Folge einer konsequenten Orientierung am idealen Wärmeprozess der Zementklinkerherstellung ergibt sich eine Unterteilung der Zementklinkererzeugung als Gesamtsystem in ein überwiegend endothermes Teilsystem und in ein überwiegend exothermes Teilsystem. Unter Beachtung der vorstehenden Gliederung, der gutbedingten Reaktionen zur Klinkerbildung sowie der verfahrensgemäßen Gut- und Heißluft- bzw. -gastemperaturen wird erfindungsgemäß der Prozesswirkungsgrad verbessert, insbesondere der Wärmeenergieverbrauch gesenkt und umweltrelevante Emissionen reduziert oder ganz vermieden.
Zementklinker wird heute aus einem feingemahlenen, hauptsächlich aus Kalkstein, Mergel, Ton und Sand bestehenden Rohstoffgemisch hergestellt. Das sogenannte „Rohmehl“ wird erhitzt und zu Klinker gebrannt. Dabei finden verschiedene chemische, mineralogische und physikalische Reaktionen teils parallel zueinander, teils nacheinander statt.

Diese materialbedingten Reaktionen bei der Herstellung von Zementklinker lassen sich in Abhängigkeit von der Temperatur wie folgt charakterisieren:

1. Aktivieren des Aufgabegutes
	a) Verdampfen von H₂O:
		bis ca. 200 °C:	Abgabe der groben Feuchte (Trocknung Zementrohmaterial);
		bis ca. 400 °C:	Abgabe des adsorptiv gebundenen Wassers (auch des Zwischenwassers);
		bis ca. 650 °C:	Abgabe des chemisch gebundenen Wassers (Dehydration der Tonmineralien).
	b)	Thermische Aktivierung des Guts:
		ab ca. 550 °C:	thermische Aktivierung des Calcits (Entsäuerung);
		bis ca. 650 °C:	Beginn der Carbonatzersetzung unter CO₂-Abgabe;
		bis ca. 1.050 °C:	thermische Aktivierung der Tonmineralien, Quarzumwandlung, thermische Dissoziation des Calciumcarbonats, erste Feststoffreaktionen und Bildung neuer Verbindungen;
	c)	Hauptreaktionen zur Bildung von Belit:
		ca. 900 bis 1.200 °C:	Hauptreaktionen zur Bildung von Belit (C₂S); Beginn der Klinkerphasenbildung (C₃A und C₄AF).

2.	Bil den der Klinkerphasen:
	bis ca. 1.300 °C:	erste Bildung von Alit (C₃S) und Brownmillerit (C₄AF);
	ca. 1.250 °C bis ca. 1.310 °C:	erstes Auftreten von Schmelzphase, welche sich mit steigender Temperatur anreichert, die Klinkerphasenbildung wesentlich unterstützt und für die Gutgranulation verantwortlich ist;
	ca. 1.250 °C bis ca. 1.450 °C:	neben einem Restgehalt an freiem CaO erfolgt die Endausbildung aller Klinkerphasen (C₂S, C₃A, C₃S und C₄AF).

3.	Kristallisation der Schmelze:
	ca. 1.450 °C bis ca. 1.300 °C:		Kristallisation der Schmelze durch eine verhältnismäßig langsame Kühlung unter oxidierenden Bedingungen auf etwa 1.300 °C („eingefrorenes Schmelzgleichgewicht“);

Die Zersetzungsreaktionen des Aufgabeguts, die im Allgemeinen unterhalb von 1.050 °C ablaufen, sind nicht nur von der Temperatur, sondern auch von deren Geschwindigkeit abhängig.
Die Kinetik der CaCO₃-Zersetzung kann für das Gut berechnet werden und zeigt, dass die Entsäuerungszeit abnimmt mit

➢zunehmender Materialtemperatur,
➢abnehmendem CO₂-Partialdruck aus der Verbrennung,
➢abnehmender Feststoffbeladung des Gasstromes und
➢abnehmender Materialkorngröße.

₂

Die für den Ablauf vorgenannter Reaktionen benötigte theoretisch aufzuwendende Wärmeenergie hängt im Wesentlichen von der Beschaffenheit des Guts ab und beträgt zwischen 1.590 und 1.840 kJ/kg Klinker.
Die Klinkerproduktion in der industriellen Praxis erfolgt heute überwiegend in Drehrohrofenanlagen mit vorgeschalteten Vorwärmern und nachgeschalteten Klinkerkühlern. Man unterscheidet die Klinkerbrennanlagen danach, ob sie mit einem Rost- oder Zyklonvorwärmer betrieben werden.
Rostvorwärmer bestehen aus einem umlaufenden Rostband, auf dem das zu Granalien oder Formlingen geformte Gut durch einen geschlossenen Tunnel wandert, der in Trocken- und Heißkammer unterteilt ist. Das Prozessgas wird mittels eines Zwischengebläses aus dem Drehrohrofen in die Heißkammer und von oben nach unten durch die Granalienschicht gesaugt. Nach Abscheiden des Staubes wird das Gas in der Trockenkammer erneut von oben nach unten durch die feuchten Granalien gesaugt, die dabei vollständig getrocknet werden.
Zyklonvorwärmer bestehen aus vier bis sechs Zyklonstufen, die übereinander angeordnet sind. Das mehlartige Gut wird dem aus dem Drehrohrofen kommenden Prozessgas, welches den Zyklonvorwärmer von unten nach oben durchströmt, vor Eintritt in die oberste Zyklonstufe aufgegeben. In den Zyklonen wird das Gut vom Gasstrom getrennt und fällt vor der nächstunteren Zyklonstufe in den Gasstrom zurück. Dieser Vorgang wiederholt sich in jeder Stufe bei jeweils höheren Temperaturen, wobei zunächst das Gut getrocknet, dehydriert und dann der im Gut enthaltene Kalkstein teilweise entsäuert wird. Die Restentsäuerung findet sowohl in einem vergrößerten Brennraum zwischen unterster Zyklonstufe und Drehrohrofeneinlauf, der als Calcinator bezeichnet wird, als auch in der sogenannten Calcinierzone des Drehrohrofens statt. Dabei wird die Verbrennungsluft vielfach in einer gesonderten Luftleitung, der Tertiärluftleitung, vom Klinkerkühler ausgehend am Drehrohrofen vorbei zur Calcinatorfeuerung (Zweitfeuerung) geleitet. In der Zweitfeuerung werden bis zu 90 % der gesamten benötigten Brennstoffmenge eingesetzt.
Allen vorgenannten Vorwärmern ist gemein, dass sie sich nicht konsequent am idealen Wärmeprozess der Zementklinkererzeugung orientieren.
Sowohl bei den Rost- als auch bei den Zyklonvorwärmeranlagen verlässt das Prozessgas den Drehrohrofen mit Temperaturen von etwa 1.000 bis 1.200 °C, während das in den Drehrohrofen einlaufende Gut bei Vorentsäuerungsgraden größer 95 % Temperaturen von rund 1.050 °C erreicht. Prozessbedingt beträgt die Abgastemperatur von Zyklonvorwärmeranlagen je nach Stufenzahl und Kapazitätsvolumenverhältnis rund 290 bis 400 °C, bei Anlagen mit Rostvorwärmer etwa 90 bis 120 °C.
Im Drehrohrofen sind aus Gründen der Produktqualität Guttemperaturen von ca. 1.450 °C und oxidierende Bedingungen einzuhalten, die Verbrennungslufttemperaturen betragen dabei bis zu 2.000 °C. Aufgrund dieser hohen Verbrennungslufttemperaturen überwiegt im Drehrohrofen die partielle Oxidation des molekularen Stickstoffs der Verbrennungsluft zu Stickoxid, die auch als thermische NO-Bildung bezeichnet wird. NO wird in der Atmosphäre weitgehend zum umweltrelevanten NO₂ umgewandelt.
Brennstoffe werden in unterschiedlichen Mengenanteilen sowohl in den Drehrohrofen (Hauptfeuerung) als auch in den Calcinator (Zweitfeuerung) gegeben. Die zur Verbrennung erforderliche Luft aus dem Klinkerkühler wird als Sekundärluft dem Drehrohrofen und vielfach als Tertiärluft dem Calcinator zugeführt. Fossile Brennstoffe (Primärbrennstoffe) können nicht vollständig durch Ersatzbrennstoffe (Sekundärbrennstoffe) ersetzt werden.
Der spezifische Wärmeaufwand derartiger moderner Produktionsanlagen beträgt im Allgemeinen zwischen 3.000 und 3.800 kJ/kg Klinker, unter optimalen Betriebsbedingungen ca. 2.900 kJ/kg Klinker.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betrieb einer Zementklinkererzeugungsanlage zur thermischen Behandlung von fein- bis grobkörnigem Gut, insbesondere Zementrohmaterialgemisch, unter Beachtung der materialbedingten chemischen, mineralogischen und physikalischen Reaktionen der Klinkerbildung sowie einer konsequenten Orientierung am idealen Wärmeprozess der Zementklinkerherstellung zu schaffen, mit dem eine Steigerung des Prozesswirkungsgrades, insbesondere durch Reduzierung des Wärmeenergieverbrauchs, sowie Minderung oder gar Vermeidung umweltrelevanter Emissionen realisiert werden.
Die erfindungsgemäße Verfahrensaufgabe wird gelöst durch Gliederung des Gesamtsystems Zementklinkererzeugung in ein überwiegend endothermes und ein überwiegend exothermes Teilsystem unter Orientierung am idealen Brennprozess der Zementklinkerherstellung, die durch die Merkmale des Anspruch 1 gekennzeichnet sind.
Weitere lösungsrelevante Ausgestaltungen des sogenannten BeoCem-Verfahrens sind durch die Merkmale der Unteransprüche 2 bis 9 des Verfahrensanspruchs 1 gekennzeichnet.
Erfindungsgemäß kann das vorliegende Verfahren zum Betrieb einer Anlage zur Zementklinkererzeugung unter Orientierung am idealen Wärmeprozess der Zementklinkerproduktion und den damit zusammenhängenden gutbedingten chemischen, mineralogischen und physikalischen Reaktionen in die Bereiche

➢Verdampfen von Wasser, thermische Aktivierung des Guts und Hauptreaktionen zur Bildung von Belit sowie
➢Bilden der Klinkerphasen und Kristallisation der Schmelze gegliedert werden.

In der Folge ergeben sich ein überwiegend endothermes (wärmeverbrauchendes) und ein überwiegend exothermes (wärmefreisetzendes) Teilsystem. Das endotherme Teilsystem besteht erfindungsgemäß aus einem als Aktivierungssystem bezeichneten Gegenstrom-Wärmetauscher in ein- oder mehrstufiger Bauart und das exotherme Teilsystem aus einem als Sinterer bezeichneten Gegenstrom-Wärmetauscher.
Die verfahrensbedingt sicherzustellenden Gut und/oder Heißluft- bzw. -gastemperaturen der nachstehend als BeoCem-Verfahren bezeichneten Zementklinkererzeugung sind wie folgt beschrieben:

➢In einem ersten Verfahrensschritt erfolgt im Aktivierungssystem unter Verwendung von Heißluft aus dem Sinterer und ggf. Tertiärluft aus dem Klinkerkühler sowie gezielter und dosierter Wärmezufuhr aus Brennstoff und/oder elektrisch erzeugter Wärme oder deren beliebigen Mischungsverhältnis die Trocknung und Entwässerung des im Aufgabegut absorptiv gebundenen Wassers, des Zwischenschichtwassers und auch des chemisch gebundenen Wassers. Im weiteren Prozessverlauf wird das dehydrierte Aufgabegut vollständig entsäuert und einschließlich der Hauptreaktionen zur Bildung von Belit bis auf eine Temperatur von ca. 1.200 °C erhitzt.
➢In einem zweiten Verfahrensschritt erfolgt in der Sinterzone eines Sinterers unter oxidierenden Bedingungen und Nutzung der in dessen Vorkühlzone auf Sintertemperatur von ca. 1.450 °C erhitzten Klinkerkühlerabluft sowie der freiwerdenden Reaktionsenthalpien des Sinterguts die vollständige Ausbildung der Klinkerphasen.
➢In einem dritten Verfahrensschritt erfolgt in der Vorkühlzone des Sinterers sowohl die Kristallisation der Schmelze von Sintertemperatur bis auf ca. 1.300 °C als auch die Aufheizung eines Teils oder der gesamten Klinkerkühlerabluft bis auf Sintertemperatur.

Das Aktivierungssystem kann sowohl mit sämtlichen bekannten Primärbrennstoffen und/ oder teilweise oder ganz mit Sekundärbrennstoffen als auch mit elektrisch erzeugter Wärme oder deren beliebigen Mischungsverhältnis betrieben werden. Weil eine Anrechnung der CO₂-Emissionen aus Sekundärbrennstoff entfällt, werden diese umweltrelevanten Emissionen erheblich reduziert bzw. sogar ganz vermieden. Bei Einsatz elektrisch betriebener Wärmequellen werden brennstoffbedingte CO₂-Emissionen ganz vermieden.
Da aus produktbedingten, qualitativen Gründen im Aktivierungssystem keine oxidierenden Bedingungen vorhanden sein müssen und die Temperaturen im Aktivierungssystem weit unter 1.600 °C gehalten werden, wird bei Einsatz von Primär- und/oder Sekundärbrennstoff kein thermisch bedingtes NO gebildet und brennstoffbedingtes NO kann durch die bekannten Maßnahmen wie z.B. reduziertes, mehrstufiges Brennen bei Flammentemperaturen kleiner 1.600 °C ebenso vermieden werden wie bei Einsatz elektrisch betriebener Wärmequellen.
Dem Sinterer wird erfindungsgemäß einerseits das im Aktivierungssystem vollständig entsäuerte und auf eine Temperatur von ca. 1.200 °C erhitzte Sintergut zugeführt. In der Folge kann bei dem als Drehrohr ausgebildeten Sinterer die Calcinierzone komplett entfallen, weil erfindungsgemäß beim BeoCem-Verfahren im Sinterer keine Restentsäuerung des Sinterguts erfolgt. Andererseits wird der Vorkühlzone des Sinterers zur Sicherstellung einer vollständigen Klinkerbildung Kühlerabluft mit einer Temperatur von ca. 1.300 °C zugeführt. Wärme aus anderen externen Quellen wie z.B. Brennstoff und/oder elektrisch betriebenen Wärmequellen wird dem Sinterer nicht aufgegeben.
Die im Sinterer herrschenden Sintertemperaturen betragen ca. 1.450 °C und damit deutlich weniger als 1.600°C, wodurch eine thermisch bedingte NO-Bildung vermieden wird. Da auch im Aktivierungssystem aufgrund der beschriebenen Prozessbedingungen keine derartigen umweltrelevanten Emissionen gebildet werden, können erfindungsgemäß alle diesbezüglich erforderlichen Vorrichtungen und Maßnahmen zur NO_x-Beseitigung entfallen.
Zur Minderung der durch die Verwendung von alkali-, schwefel-, chlorid- und/oder fluoridreichen Gut und/oder Brennstoff eingebrachten unerwünschten Elemente und/oder zur Herstellung von alkaliarmen Zement (low-alkali-cement) kann ein Teil oder das gesamte Heißgas dem Aktivierungssystem im Temperaturbereich 700 bis 900°C entnommen und in eine Vorrichtung gegeben werden, in der das Heißgas in der bekannten Art von den unerwünschten Elementen getrennt und das gereinigte Gas dem Prozess ganz oder teilweise wieder zuführt oder ganz verworfen wird.
Erfindungsgemäß kann eine industrielle Produktionsanlage zur Erzeugung von Zementklinker nach dem BeoCem-Verfahren mit geringen Geschwindigkeiten der als Wärmeträger dienenden Heißgase betrieben werden, weil sich geringere Heißluft- bzw. -gasgeschwindigkeiten nicht - wie z.B. bei Zyklonvorwärmeranlagen - negativ, sondern aufgrund der erhöhten Verweilzeit im System und des in der Folge intensiveren Wärmeaustausches Heißgas-Gut positiv auswirken. Staubkreisläufe werden minimiert, Materialentmischungen vermieden und das Gut alles in allem in allen Phasen chemisch, mineralogisch und thermisch homogen und schonend aufbereitet.
Darüber hinaus kann die Durchsatzleistung einer Zementklinkererzeugungsanlage nach dem BeoCem-Verfahren im Verhältnis zur Nennleistung von bis zu 1:2 geregelt werden.
Zum Aufheizen, Anfahren und/oder Hochfahren sowie Abfahren einer erfindungsgemäßen Produktionsanlage können bei Bedarf hilfsweise temporär zusätzliche Wärmezufuhren (z.B. Hilfsfeuerungen) vorgesehen werden.
Alles in allem bestehen die erfindungsgemäßen wesentlichen Merkmale und Vorteile des vorliegenden BeoCem-Verfahrens darin, dass:

➢ die Zementklinkererzeugung unter Orientierung am idealen Brennprozess und Beachtung der materialbedingten Reaktionen der Klinkerbildung in die überwiegend endothermen und exothermen Teilsysteme gegliedert ist;
➢ aufgrund der relativ geringen Gut- und Luft- bzw. Gasgeschwindigkeiten in den Gegenstrom-Wärmetauschern interne Staubkreisläufe minimiert, Materialentmischungen vermieden und in der Folge das Gut in allen Phasen der Zementklinkererzeugung chemisch, mineralogisch und thermisch homogen und schonend aufbereitet wird;
➢ die für die totale Aktivierung des Aufgabeguts erforderliche Wärmeenergie gezielt und dosiert nur dem Aktivierungssystem an einer oder mehreren Stellen zugeführt wird, wobei sowohl Primär- und/oder Sekundärbrennstoff als auch elektrische erzeugte Wärme oder deren beliebiges Mischungsverhältnis verwendet und Primärbrennstoffe vollständig durch Sekundärbrennstoffe ersetzt werden können;
➢ der Wärmeenergiebedarf einer erfindungsgemäßen Anlage einerseits durch Einhalten der beschriebenen Gut- und Luft- bzw. Gastemperaturen sowie andererseits durch die kompakte Konstruktion und Bauweise der einzelnen Komponenten des Gesamtsystems gemindert wird;
➢ klima- und umweltrelevante Emissionen (NO_x, CO₂) aus thermisch und/oder brennstoffbedingter Bildung ganz vermieden werden können;
➢ die durch Aufgabegut und/oder Brennstoff eingebrachten unerwünschten Alkalien und Schwefel-, Chlorid- und/oder Fluorverbindungen ganz oder teilweise bei entsprechender Ausbildung des überwiegend endothermen Teilsystems (z.B. Aktivierungssystem in mehrstufiger Bauart und Bypass) eliminiert werden können, insbesondere zur Herstellung von alkaliarmen Zement;
➢ die Durchsatzleistung des Systems im Verhältnis zu seiner Nennleistung von bis zu 1:2 geregelt werden kann.

Die Erfindung wird anhand der 1 bis 4 näher erläutert.
In den nachstehenden Beschreibungen der in 1 bis 4 schematisch gezeigten Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Zementklinkererzeugungsanlage 01 ist der Klinkerkühler 04 in Weiterführung in Achse des Sinterer 03 angeordnet dargestellt. Die Weiterführung des Klinkerkühlers 04 rückläufig zum Sinterer 03 bildet eine alternativ gleichwertige Lösung.
Im Übrigen unterscheiden sich die Ausführungsbeispiele hinsichtlich

➢ der Ausführung des Aktivierungssystems 02 in einstufiger oder in mehrstufiger Bauart als Dehydrator 02.1 und Activator 02.2 sowie des Klinkerkühlers 04 als Rohr- oder Rostkühler,
➢ der Nutzung der Kühlerabluft 12 mit oder ohne dessen Aufteilung in Sekundärluft 12.1 und Tertiärluft 12.2 sowie
➢ der Minderung der durch die Verwendung alkali-, schwefel-, chlorid- und fluoridreichen Aufgabeguts 06 und/oder Brennstoff 20 eingebrachten unerwünschten Elemente.

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1 zeigt ein Beispiel einer schematisch dargestellten Zementklinkererzeugungsanlage 01 mit einem Aktivierungssystems 02 in einstufiger Bauart und einem schräg geneigten, als Drehrohr ausgebildeten Sinterer 03 sowie einen schräg geneigten, als Rohrkühler ausgeführten Klinkerkühler 04, wobei die gesamte Kühlerabluft 12 durch den Sinterer 02 geführt wird.
Das Aufgabegut 07 wird dem Aktivierungssystem 02 aufgegeben und unter Nutzung heißer Sintererabluft 13 sowie gezielt und dosiert zugeführten Brennstoffs 20 und/oder elektrisch erzeugter Wärme 21 oder deren beliebigen Mischungsverhältnis 22 getrocknet, dehydriert, vollständig entsäuert bzw. aktiviert und einschließlich der Hauptreaktionen zur Bildung von Belit auf eine Temperatur von ca. 1.200 °C erhitzt. Das Sintergut 07 wird in die Sinterzone des Sinterers 03 eingetragen, mittels der auf Sintertemperatur erhitzten Kühlerabluft 12 und den freiwerdenden Reaktionsenthalpien des Sinterguts 07 bis auf Sintertemperatur von ca. 1.450 °C erhitzt, um die vollständige Ausbildung aller Klinkerphasen sicherzustellen. Anschließend wird der Heißklinker 08 in der bekannten Weise in der Vorkühlzone des Sinterers 03 von Sintertemperatur auf ca. 1.300 °C langsam, schonend und festigkeitssteigernd gekühlt und gelangt aus dem Sinterer 03 in den Klinkerkühler 04. Hier wird der Zementklinker 09 auf die prozess- und anlagenbedingte Klinkerendtemperatur mittels der Umgebungsluft 11 gekühlt dem weiteren Produktionsprozess zugeführt.
Die dem Klinkerkühler 04 zugegebene Umgebungsluft 11 wird im Gegenstrom zum Heißklinker 08 geführt und dabei auf ca. 1.300 °C erhitzt. Im weiteren Verlauf erfolgt die Aufheizung der gesamten Kühlerabluft 12 in der Vorkühlzone des Sinterers 03 auf Sintertemperatur. Der Wärmeinhalt der auf ca. 1.450 °C erhitzten Kühlerabluft 12 und die durch die exothermen Reaktionen des Sinterguts 07 freigesetzten Wärmemengen reichen aus, um die vollständige Ausbildung aller Klinkerphasen sicherzustellen. Die heiße Sintererabluft 13 und die gezielte, dosierte Zugabe von Brennstoff 20 und/oder elektrisch erzeugter Wärme 21 oder deren beliebigen Mischungsverhältnis 22 an einer oder mehreren Stellen des Aktivierungssystems 02 stellen die für die gutbedingten endothermen Reaktionen benötigten Wärmemengen für das dem Aktivierungssystem 02 aufgegebene Aufgabegut 06 für dessen vollständige Trocknung, Dehydrierung und Aktivierung sowie die Hauptreaktionen zur Bildung von Belit bereit. Das Abgas 18 verlässt das Aktivierungssystem 02 bedingt durch den intensiven Wärmeaustausch mit dem Aufgabegut 06 mit der prozess- und anlagenbedingten Abgastemperatur.
Alternativ zur dargestellten erfindungsgemäßen Zementklinkererzeugungsanlage 01 mit einem Aktivierungssystem 02 in einstufiger Bauart stellen mehrstufige Bauarten des Aktivierungssystems 02, wie z.B. in 3 und 4 gezeigt, gleichwertige Lösungen dar.
Alternativ zum dargestellten Klinkerkühler 04 als Rohrkühler können auch andere Klinkerkühler bekannter Bauart wie z.B. Rostkühler, wie in 2 bis 4 gezeigt, eingesetzt werden und stellen gleichwertige Lösungen dar.
Alternativ zur dargestellten Nutzung der gesamten Kühlerabluft 12 im Sinterer 03 kann ein Teil der Kühlerabluft 12 als Sekundärluft 12.1 durch den Sinterer 03 und der Rest als Tertiärluft 12.2 unter Umgehung des Sinterers 03 vor das Aktivierungssystem 02 geführt werden, wie bei 2 gezeigt und beschrieben.
2 zeigt ein Beispiel einer schematisch dargestellten erfindungsgemäßen Zementklinkererzeugungsanlage 01 mit einem Aktivierungssystem 02 in einstufiger Bauart sowie einem schräg geneigten, als Drehrohr ausgebildeten Sinterer 03 und einen als Rostkühler ausgeführten Klinkerkühler 04.
Dabei wird die Kühlerabluft 12 aufgeteilt und ein Teil als Sekundärluft 12.1 durch den Sinterer 03 sowie der Rest als Tertiärluft 12.2 unter Umgehung des Sinterers 03 vor das Aktivierungssystem 02 geführt. Die heiße Sintererabluft 13 und Tertiärluft 12.2 bilden gemeinsam das Heißgas vor Aktivierungssystem 14, welches ggf. unter gezielter, dosierter Zugabe von Brennstoff 20 und/oder elektrisch erzeugter Wärme 21 oder deren beliebigen Mischungsverhältnis 22 an einer oder mehreren Stellen des Aktivierungssystems 02 auf eine Temperatur von ca. 1.200 °C erhitzt wird.
Im Übrigen wird auf die Beschreibungen wie bei 1 verwiesen.
3 zeigt ein Beispiel einer schematisch dargestellten erfindungsgemäßen Zementklinkererzeugungsanlage 01 mit einem mehrstufigen, als Dehydrator 02.1 und Activator 02.2 bezeichneten Aktivierungssystem 02 und einem als Drehrohr in schräg geneigter Bauart ausgebildeten Sinterer 03 sowie einem als Rostkühler dargestellten Klinkerkühler 04.
Zur Minderung der durch die Verwendung alkali-, schwefel-, chlorid- und/oder fluoridreichen Aufgabeguts 06 und/oder Brennstoff 20 eingebrachten unerwünschten Elemente und/oder zur Herstellung von alkaliarmen Zement (low-alkali-cement) wird das gesamte Abgas Aktivierungssystem 15 in ein Bypassfilter 05 geführt.
Das Aufgabegut 06 wird dem Dehydrator 02.1 aufgegeben und mittels des Heißgas vor Dehydrator 16, bestehend aus dem Tertiärluftanteil Dehydrator 12.2.2 mit oder ohne dem Heißgasanteil Dehydrator 14.2, getrocknet, dehydriert und vorentsäuert sowie auf eine Temperatur unterhalb des Siedepunkts der durch das Aufgabegut 06 und/oder Brennstoff 20 in den Activator 02.2 eingebrachten unerwünschten alkali-, schwefel-, chlorid- und/oder fluoridreichen Elemente erhitzt und dem Activator 02.2 als dehydriertes Aufgabegut 06.1 zugeführt. Unter gezielter, dosierter Zugabe von Brennstoff 20 und/oder elektrisch erzeugter Wärme 21 oder deren beliebigen Mischungsverhältnis 22 an einer oder mehreren Stellen des Activators 02.2 wird das dehydrierte Aufgabegut 06.1 mittels des Heißgasanteils Activator 14.1 im Activator 02.2 aktiviert, d.h. vollständig entsäuert und auf eine Temperatur von ca. 1.200 °C erhitzt, wobei die Hauptreaktionen zur Bildung von Belit erfolgen. Das Sintergut 07 wird in die Sinterzone des Sinterers 03 eingetragen und bildet mittels der freiwerdenden Reaktionsenthalpien alle Klinkerphasen vollständig aus. In der Vorkühlzone des Sinterers 03 erfolgt eine schonende Kühlung des Heißklinkers 08 von Sintertemperatur auf ca. 1.300 °C. In bekannter Weise gelangt der Heißklinker 08 aus dem Sinterer 03 in den Klinkerkühler 04, wo der Zementklinker 09 auf die prozess- und anlagenbedingte Klinkerendtemperatur mittels der Umgebungsluft 12 gekühlt und anschließend dem weiteren Produktionsprozess zugeführt wird.
Die dem Klinkerkühler 04 zugegebene Umgebungsluft 11 wird zur Kühlung des Heißklinker 08 genutzt und dabei auf ca. 1.300 °C erhitzt. Im weiteren Prozessverlauf erfolgt die Aufheizung der Sekundärluft 13.1 auf Sintertemperatur bei gleichzeitiger Kühlung des Heißklinkers 08 in der Vorkühlzone des Sinterers 03 auf ca. 1.300 °C. Der Wärmeinhalt der Sekundärluft 12.1 und die durch die exothermen Reaktionen des Sinterguts 07 freigesetzten Wärmemengen reichen aus, um eine vollständige Ausbildung aller Klinkerphasen sicherzustellen. Die heiße Sintererabluft 13 und die unter Umgehung des Sinterers 03 geführte Tertiärluft 12.2 oder der Tertiärluftanteil 12.2.1 bilden das Heißgas vor Activator 14, welches ggf. unter gezielter, dosierter Zugabe von Brennstoff 20 und/ oder elektrisch erzeugter Wärme 21 oder deren beliebigen Mischungsverhältnis 22 auf eine Temperatur von ca. 1.200 °C erhitzt wird. Die im Activator 02.2 die für die gutbedingten endothermen Reaktionen benötigten Wärmemengen für das dem Activator 02.2 zugeführte dehydrierte Aufgabegut 06.1 werden unter gezielter, dosierter Zugabe von Brennstoff 20 und/oder elektrisch erzeugter Wärme 21 oder deren beliebigen Mischungsverhältnis 22 an einer oder mehreren Stellen des Activators 02.2 bereitgestellt.
Das heiße Activatorabgas 15 mit Temperaturen oberhalb des Siedepunkts der durch das Aufgabegut 06.1 und/oder Brennstoff 20 eingebrachten unerwünschten Alkalien sowie Schwefel-, Chlorid- und/oder Fluorverbindungen wird vollständig dem Bypassfilter 05 zugeführt, in der bekannten Art vollständig von den vorgenannten unerwünschten Elementen getrennt und als Bypass-Staub 10 sowie Bypassabgas 19 aus dem Gesamtsystem Zementklinkererzeugung entfernt. Mit dieser Anordnung kann insbesondere alkaliarmer Zement (low-alkali-cement) hergestellt werden.
Nach der Trocknung, Dehydrierung und Vorentsäuerung des Aufgabeguts 06 im Dehydrator 02.1 mittels des Heißgases vor Dehydrator 16, bestehend aus dem Tertiärluftanteil 12.2.2 und/oder dem Heißgasanteil Dehydrator 14.2, verlässt das Abgas 18 den Dehydrator 02.1 mit der prozess- und anlagenbedingten Abgastemperatur.
4 zeigt ein Beispiel einer schematisch dargestellten erfindungsgemäßen Zementklinkererzeugungsanlage 01 mit einem Dehydrator 02.1 und einem Activator 02.2 ausgebildeten Aktivierungssystem 02 in mehrstufiger Bauart sowie einem als Drehrohr in schräg geneigter Bauart ausgebildeten Sinterer 03 und einem als Rostkühler dargestellten Klinkerkühler 04.
Zur teilweisen Minderung der durch die Verwendung alkali-, schwefel-, chlorid- und/oder fluoridreichen Aufgabeguts 06 und/oder Brennstoff 20 eingebrachten unerwünschten Elemente und/oder zur Herstellung von alkaliarmen Zement (low-alkali-cement) wird ein Bypassfilter 05 zwischen Dehydrator 02.1 und Activator 02.2 geschaltet. Dabei wird ein Teil des heißen Activatorabgases 15 als Bypassgas 15.1 dem Bypassfilter 05 zugeführt. Der Rest bildet als Heißgasanteil Dehydrator 15.2 zusammen mit dem Heißgas vor Dehydrator 16, bestehend aus dem Tertiärluftanteil Dehydrator 12.2.2 mit oder ohne Heißgasanteil Dehydrator 14.2, das Heißgas vor Dehydrator 17, mit dem das Aufgabegut 06 im Dehydrator 02.2 getrocknet, dehydrieret, aktiviert und auf eine Temperatur unterhalb des Siedepunkts der durch das Aufgabegut 06 und/oder Brennstoff 20 eingebrachten unerwünschten alkali-, schwefel-, chlorid- und/oder fluoridreichen Elemente erhitzt werden kann. Das Abgas 18 verlässt den Dehydrator 02.2 mit der prozessbedingten Abgastemperatur.
Im Übrigen wird auf die Beschreibungen wie bei 3 verwiesen.
Bezugszeichenliste

Verfahren:	01	Zementklinkererzeugungsanlage
Vorrichtungen:	02	Aktivierungssystem
		02.1	Dehydrator
		02.2	Activator
	03	Sinterer
	04	Klinkerkühler
	05	Bypassfilter
Feststoffmassenströme:	06	Aufgabegut
		06.1	dehydriertes Aufgabegut
	07	Sintergut
	08	Heißklinker
	09	Zementklinker
	10	Bypassstaub
Luft- / Gasströme:	11	Umgebungsluft
	12	Kühlerabluft
		12.1	Sekundärluft
		12.2	Tertiärluft
			12.2.1	Tertiärluftanteil Activator
			12.2.2	Tertiärluftanteil Dehydrator
	13	Sintererabluft
	14	Heißgas vor Activator
		14.1	Heißgasanteil Activator
		14.2	Heißgasanteil Dehydrator
	15	Abgas Aktivierungssystem
		15.1	Bypassgas
		15.2	Heißgasanteil Dehydrator
	16	Heißgas zum Dehydrator
	17	Heißgas vor Dehydrato
	18	Abgas
	19	Bypassabgas
Wärmeenergie:	20	Brennstoff
	21	elektrisch erzeugte Wärme Mischungsverhältnis Brennstoff/elektrisch erzeugte Wärme
	22

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Zementklinkererzeugungsanlage zur thermischen Behandlung von fein bis grobkörnigem Gut, insbesondere Zementrohmaterialgemisch, dadurch gekennzeichnet, dass ➢das Gesamtsystem Zementklinkererzeugung in ein überwiegend endothermes und ein überwiegend exothermes Teilsystem gegliedert ist, ➢das überwiegend endotherme Teilsystem die vollständige Trocknung, Dehydrierung, Aktivierung (Entsäuerung) und die der Hauptreaktionen zur Bildung von Belit sowie die Erhitzung des Guts auf ca. 1.200 °C umfasst und aus einem als Aktivierungssystem bezeichneten ein- oder mehrstufigen Gegenstrom-Wärmetauscher besteht, ➢das überwiegend exotherme Teilsystem die vollständige Bildung aller Klinkerphasen bei Sintertemperatur von ca. 1.450 °C sowie die Kristallisation der Schmelze von Sintertemperatur auf ca. 1.300 °C beinhaltet und aus einen als Sinterer bezeichneten Gegenstrom-Wärmetauscher besteht, ➢die erforderliche Wärmeenergie aus Brennstoff und/oder elektrisch erzeugter Wärme oder deren beliebiges Mischungsverhältnis gezielt und dosiert nur dem endothermen Teilsystem an einer oder mehreren Stellen zugeführt wird, wobei Primärbrennstoff vollständig durch Sekundärbrennstoff ersetzt werden kann, ➢der Energieaufwand wesentlich gemindert sowie klima- und umweltrelevante Emissionen erheblich reduziert oder ganz vermieden werden können, ➢die durch Gut und/oder Brennstoff eingebrachten unerwünschten Alkalien sowie Schwefel-, Chlorid- und/oder Fluorverbindungen ganz oder teilweise eliminiert werden können sowie ➢die Durchsatzleistung der Zementklinkererzeugungsanlage im Verhältnis zur Nennleistung von bis zu 1:2 geregelt werden kann.
Verfahren zum Betrieb einer Zementklinkererzeugungsanlage 01 zur thermischen Behandlung von fein- bis grobkörnigem Gut, insbesondere Zementrohmaterialgemisch, dadurch gekennzeichnet, dass 1.1. das Gesamtsystem Zementklinkererzeugungsanlage 01 unter Orientierung am idealen Brennprozess und Beachtung der materialbedingten Reaktionen der Klinkerbildung in ein überwiegend endothermes und ein überwiegend exothermes Teilsystem gegliedert wird, 1.2. das überwiegend endotherme Teilsystem die vollständige Trocknung, Dehydrierung und Aktivierung (Entsäuerung) des Aufgabeguts 06 einschließlich der Hauptreaktionen zur Bildung von Belit umfasst und aus einen als Aktivierungssystem 02 bezeichneten ein- oder mehrstufigen Gegenstrom-Wärmetauscher besteht sowie 1.3. das überwiegend exotherme Teilsystem die vollständige Bildung aller Klinkerphasen und Kristallisation der Schmelze umfasst und aus einen als Sinterer 03 bezeichneten Gegenstrom-Wärmetauscher besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass 2.1. das Aufgabegut 06 im Aktivierungssystem 02 auf eine Temperatur von ca. 1.200 °C erhitzt wird, 2.2. das Sintergut 07 in der Sinterzone des Sinterers 03 alle Klinkerphasen bei Sintertemperatur von ca. 1.450 °C vollständig ausbildet sowie 2.3. eine verhältnismäßig langsame Kühlung der Schmelze (Kristallisation) von Sintertemperatur bis auf ca. 1.300 °C in der Vorkühlzone des Sinterers 03 erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erforderliche Wärmeenergie 3.1. zur vollständigen Aktivierung des Aufgabeguts 06 dem Aktivierungssystem 02 einerseits mittels Sintererabluft 13 und ggf. Tertiärluft 12.2 sowie andererseits Brennstoff 20 und/oder elektrisch erzeugter Wärme 21 oder deren beliebiges Mischungsverhältnis 22 zugeführt wird, 3.2. die vollständige Ausbildung aller Klinkerphasen sowohl durch Nutzung von Klinkerkühlerabluft 12 bzw. Sekundärluft 12.1, die der Vorkühlzone des Sinterers 03 zugeführt wird, als auch durch die freiwerdenden materialbedingten Reaktionsenthalpien sichergestellt wird sowie 3.3. die Kristallisation der Schmelze unter Nutzung von Klinkerkühlerabluft 12 bzw. Sekundärluft 12.1 erfolgt, die der Vorkühlzone des Sinterers 03 zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass 4.1. der Sinterer 03 ausschließlich mit der aus Kühlerabluft 12 bzw. Sekundärluft 12.1 bereitgestellte Wärmeenergie und den infolge der materialbedingten Reaktionen freigesetzten Wärmemengen betrieben wird, 4.2. nur dem endothermen Teilsystem an einer oder mehreren Stellen gezielt und dosiert Brennstoff 20 und/oder elektrisch erzeugte Wärme 21 oder deren beliebiges Mischungsverhältnis 22 zugeführt wird und 4.3. bei der Verwendung von Brennstoff 20 als Primär- oder Sekundärbrennstoff oder deren beliebiges Mischungsverhältnis 22 der vollständige Ersatz von Primär- durch Sekundärbrennstoff realisiert werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieaufwand 5.1. aus Brennstoff 20 und/oder elektrisch erzeugter Wärme 21 oder deren beliebigen Mischungsverhältnis 22 durch Einhalten der Temperatur des Sinterguts 07 von ca. 1.200 °C erheblich gemindert wird, weil durch die Aufgabe des Sinterguts 07 in den Sinterer 03 hier keine Restentsäuerung mehr erfolgt und die Nutzung der Wärmeenergie aus Kühlerabluft 12 bzw. Sekundärluft 12.1 sowie der freigesetzten Wärmemengen der materialbedingten Reaktionen eine vollständige Ausbildung aller Klinkerphasen sicherstellt, 5.2. aufgrund einer kompakten Konstruktion und Bauweise der als Aktivierungssystem 02 und Sinterer 03 bezeichneten Gegenstrom-Wärmetauscher deren Wärmeverluste aus Konvektion und Strahlung reduziert werden, 5.3. für elektrische Antriebe einerseits aufgrund der kompakten Bauweise der Vorrichtungen und andererseits der geringeren Druckverluste im Aktivierungssystem 02 und Sinterer 03 geringere Antriebsleistungen installiert werden können.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass klima- und umweltrelevante Emissionen 6.1. aus thermisch bedingter NO-Bildung im Sinterer 03 durch ausschließliche Verwendung von Kühlerabluft 12 bzw. Sekundärluft 12.1 und durch Begrenzen der im Sinterer 03 herrschenden Betriebstemperaturen auf weit unter 1.600 °C vermieden werden, 6.2. aus brennstoffbedingter NO-Bildung bei Verwendung von Brennstoff 21 durch das bekannte mehrstufige reduzierte Brennen und Flammentemperaturen erheblich kleiner 1.600 °C gemindert oder ganz vermieden werden, 6.3. aus brennstoffbedingter CO₂-Bildung durch den vollständigen Einsatz von Sekundärbrennstoff 20 und dessen diesbezüglicher Nichtanrechnung und/oder den Einsatz elektrisch betriebener Wärmequellen 21 ganz vermieden werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass 7.1. die durch Aufgabegut 06 und/ oder Brennstoff 20 eingebrachten unerwünschten Alkalien sowie Schwefel-, Chlorid- und/oder Fluorverbindungen ganz oder teilweise eliminiert werden können, insbesondere zur Herstellung von alkaliarmen Zement (low-alkali-cement), 7.2. dem Activator 02.2 das gesamte Abgas Aktivierungssystem 15 oder dessen Teil, das Bypassgas 15.1 im Temperaturbereich 700 °C bis 900 °C entnommen und in ein Bypassfilter 05 gegeben wird, die das Abgas Aktivierungssystem 15 bzw. Bypassgas 15.1 in der bekannten Art von den unerwünschten Elementen trennt und 7.3. das gereinigte Bypassabgas 19 dem Prozess ganz oder teilweise wieder zugeführt oder ganz verworfen werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Durchsatzleistung der Zementklinkererzeugungsanlage 01 im Verhältnis zur Nennleistung von bis zu 1:2 geregelt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufheizen, Anfahren und/oder Hochfahren der Anlage 01 temporäre zusätzliche Wärmeenergiequellen eingesetzt werden können sowie bei einer möglichen gröberen Aufbereitung des Aufgabeguts 06 weitere, nicht zum Verfahren gehörende Reduzierungen des Energieaufwands zur Zementherstellung möglich sind.