[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Zement durch Brennen von
pulverförmigem Rohmaterial in einer Wirbelschicht, in die vorgewärmtes Rohmaterial,
Brennstoff, vorgewärmte Luft sowie ein rezyklierter Teil des gebrannten Gutes eingeführt
werden, wobei das aus der Wirbelschicht ausgetragene Gut anschließend in einer Kühlzone
durch einen Kühlluftstrom gekühlt wird.
[0002] Es ist bekannt, granuliertes Zementrohmaterial in einer Wirbelschicht zu brennen
("Zement-Kalk-Gips", 1970, S.343 bis 347 sowie DE-AS 1 433 913). Nachteilig ist hierbei
der mit dem Granulieren des Rohmateriales verbundene Aufwand sowie die mangelnde Gleichmäßigkeit
der Wärmebehandlung der inneren und äußeren Materialzonen der Granalien.
[0003] Zur vermeidung dieser Nachteile hat man ferner versucht, pulverförmiges Zementrohmaterial
in einer Wirbelschicht zu brennen (DE-AS 1 156 012, DE-OS 1 696 690 sowie "Zement-Kalk-Gips",1971,
S.571 bis 573). Hierbei wird in die Wirbelschicht außer pulverförmigem Rohmaterial,
Brennstoff, Verbrennungs- und Auflockerungsluft auch ein rezyklierter Teil des gebrannten
Gutes als sog. "Saatklinker" eingeführt, so daß in der Wirbelschicht durch Anlagerung
des Rohmehles ein kontinuierliches Kornwachstum der Klinkerteilchen erreicht wird.
Das Rohmaterial sowie die Luft werden vor Aufgabe in die Wirbelschicht vorgewärmt.
Der gebrannte Klinker wird durch einen überlauf bzw. einen zentralen Ablauf aus der
Wirbelschicht abgezogen und in einem gesonderten Kühler gekühlt.
[0004] Bei der praktischen Durchführung dieses Verfahrens traten erhebliche Schwierigkeiten
auf, die eine Realisierung im großtechnischen Maßstab bisher ausschlossen. So erwies
es sich bisher vielfach als schwierig, das vorgewärmte Rohmaterial und den Brennstoff
rasch und gleichmäßig in der Wirbelschicht zu verteilen und den Betrieb der Wirbelschicht
einwandfrei zu stabilisieren. Durch das vorhandene Kornband stellt sich nämlich in
der Wirbelschicht ein gewisser Separiereffekt und damit ein nach unten hin abnehmender
Lückengrad ein (als Lückengrad gilt da( Verhältnis von Leervolumen zu Gesamtvolumen
einer Wirbelschicht).
[0005] Problematisch ist bei dem bekannten Verfahren weiterhin die starke Alkaliverdampfung
beim Brennen in der Wirbelschicht. Hierdurch ergibt sich bei stark alkalihalti
gen Rohmaterialien ein außerordentlich hoher Alkaligehalt in den Abgasen der Wirbelschicht,
was eine Nutzung dieser Abgase zur Vorwärmung des Rohmateriales vielfach ausschließt-und
damit zu einem unerwünscht großen Wärmebedarf führt.
[0006] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung dieser Mängel ein
Verfahren zum Brennen von pulverförmigem Zementrohmaterial in einer Wirbelschicht
zu schaffen, das sich durch einen besonders stabilen Betrieb der Wirbelschicht, ein
sehr gleichmäßig gebranntes Endprodukt sowie einmvergleichsweise niedrigen Wärmeverbrauch
auszeichnet und auch die Herstellung von Zementklinker mit besonders niedrigem Alkaligehalt
gestattet.
[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kombination folgender Merkmale gelöst:
a) Das vorgewärmte Rohmaterial wird vor Aufgabe in die Wirbelschicht in einer Vorkalzinationszone
mit zusätzlichem Brennstoff bis auf einen Entsäuerungsgrad von mindestens 40%, vorzugsweise
von 80 bis 95%, vorkalziniert;
b) aus dem unteren Bereich der Wirbelschicht gelangt das gebrannte Gut in eine unmittelbar
darunter befindliche, die Kühlzone bildende Gutschüttung;
c) ein Teil des Kühlluftstromes wird von unten her und ein weiterer Teil von der Seite
her in die Wirbelschicht eingeführt.
[0008] Erfindungsgemäß erfolgt eine weitgehende Entsäuerung (Vorkalzination, d.h. Austreibung
des C0
2) des Rohmateriales vor Aufgabe in die Wirbelschicht. Dadurch wird die Wirbelschicht
von einem großen Teil der sonst zu leistenden Wärmearbeit entlastet, was wesentliche
Vorteile mit sich bringt: Die Wirbelschicht kann kleiner dimensioniert werden, erfordert
nur eine geringere Brennstoffzufuhr und liefert eine kleinere Abgasmenge. Die wesentliche
Verringerung der Abgasmenge der Wirbelschicht gestattet es, bei besonders hohem Alkaligehalt
des Rohmateriales auf eine Verwertung dieser Abgase zur Vorwärmung und Vorkalzination
des Rohmateriales ganz oder teilweise zu verzichten, ohne dadurch den Wärmebedarf
wesentlich zu vergrößern.
[0009] Indem erfindungsgemäß ein Teil des Kühlluftstromes von unten her und ein weiterer
Teil von der Seite her in die Wirbelschicht eingeführt wird, erreicht man eine rasche
und gleichmäßige Verteilung von vorkalziniertem Gut und Brennstoff in der Wirbelschicht,
eine besonders gleichmäßige Wärmebehandlung des Gutes und einen sehr stabilen Betrieb
der Wirbelschicht.
[0010] Die durch die starke Vorkalzination und die rasche, gleichmäßige Verteilung von vorkalziniertem
Gut und Brennstoff in der Wirbelschicht wesentlich verbesserten Brennverhältnisse
in der Wirbelschicht gewährleisten außerdem ein gutes Funktionieren der unmittelbar
unter der Wirbelschicht angeordneten Kühlzone und schließen insbesondere Betriebsstörungen
durch Zusammenbackungen von Gut in der Kühlzone aus. Das erfindungsgemäße Verfahren
liefert damit sehr homogen gebrannte Klinkerkügelchen von annähernd gleichmäßiger
Korngröße.
[0011] Die rasche und gleichmäßige Verteilung des vorkalzinierten Gutes in der Wirbelschicht
läßt sich weiter noch dadurch begünstigen, daß das vorkalzinierte Gut durch einen
Teil des Kühlluftstromes, vorzugsweise mit einem sehr hohen Impuls zwischen 5 und
10 kps,von der Seite her in die Wirbelschicht eingeführt wird.
[0012] Vorteilhaft wird in dem zur Einführung des vorkalzinierten Gutes bestimmten unteren
Bereich der Wirbelschicht durch eine Querschnittsverengung etwa derselbe Lückengrad
wie im oberen Bereich der Wirbelschicht eingestellt, zweckmäßig ein Lückengrad zwischen
0,5 und 0,8, vorzugsweise zwischen 0,6 und 0,7. Durch diese Maßnahme erreicht man
eine besonders gute Verteilung des vorkalzinierten Gutes in der Wirbelschicht auch
dann, wenn die Guteinführstelle sehr tief, d.h. dicht über der Kühlzone, liegt.
[0013] Zumindest ein Teil des Brennstoffes wird zweckmäßig unterhalb der Oberfläche der
Wirbelschicht, vorzugsweise etwa in der Höhe der Zufuhr des vorkalzinierten Gutes,
von der Seite her in die Wirbelschicht eingeführt. Ein weiterer Teil des Brennstoffes
kann über die Oberfläche der Wirbelschicht oder zusammen mit dem rezyklierten Teil
des gebrannten Gutes in die Wirbelschicht eingeführt werden.
[0014] Der von der Seite her pneumatisch in die Wirbelschicht eingeführte Teil des Brennstoffes
wird vorzugsweise zusammen mit dem vorkalzinierten Gut in die Wirbelschicht eingebracht,
und zwar vorteilhaft an mehreren, gleichmäßig über den Umfang der Wirbelschicht verteilten
Stellen. Dadurch erzielt man eine besonders rasche und gleichmäßige Verteilung von
Gut und Brennstoff in der Wirbelschicht.
[0015] Für einen stabilen Betrieb der Wirbelschicht ist es ferner wichtig, daß die jeweils
in der Wirbelschicht befindliche Gutmenge unabhängig von Schwankungen der zu- und
abgeführten Gutmenge annähernd konstant gehalten wird. Da jedoch in der Wirbelschicht
eine wesentliche Kornvergrößerung eintritt, läßt sich die notwendige Konstanthaltung
der Gutmenge nicht durch eine einfache volumetrische Steuerung der zu- und abgeführten
Gutmenge erreichen. Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die in der Wirbelschicht befindliche Gutmenge in Abhängigkeit von einem in der
Wirbelschicht gemessenen Gasdruck geregelt. Bei den der Erfindung zugrundeliegenden
Versuchen hat sich nämlich überraschend herausgestellt, daß ein in der Wirbelschicht
gemessener Gasdruck ein sehr feinfühliges und zuverlässiges Maß für die in der Wirbelschicht
befindliche Gutmenge ist, so daß letztere in Abhängigkeit von dem Gasdruck konstant
gehalten werden kann (indem entweder die aus der Wirbelschicht bzw. der Kühlzone ausgetragene
Gutmenge oder die in die Wirbelschicht eingeführte. Gutmenge oder beide Gutmengen
entsprechend gesteuert werden). Zweckmäßig wird dabei die in der Wirbelschicht befindliche
Gutmenge in Abhängigkeit von der Differenz zwischen einem in der Wirbelschicht gemessenen
Gasdruck und einem in der Abgasleitung der Wirbelschicht gemessenen Gasdruck geregelt,
da bei einer solchen Differenzdruckregelung eine Erhöhung der Abgasmenge der Wirbelschicht
keinen Einfluß auf den eingestellten Sollwert besitzt.
[0016] Für einen optimalen Betrieb der Wirbelschicht hat es sich als günstig erwiesen, wenn
etwa 50 bis 90%, vorzugsweise etw 2/3 der gesamten, der Wirbelschicht zugeführten
Luft von unten her und 10 bis 50%, vorzugsweise etwa 1/3, der Luft von der Seite her
in die Wirbelschicht eingeleitet werden.
[0017] Der Vorwärm- und Vorkalzinationszone wird zweckmäßig ein einstellbarer Teil der Abgase
der Wirbelschicht sowie vorzugsweise ein einstellbarer Teil des Kühlluftstromes zugeführt,
während der übrige Teil der Abgase der Wirbelschicht unter Umgehung der Vorwärm- und
Vorkalzinationszone abgeführt wird. Bei besonders alkalihaltigem Rohmaterial können
auch die gesamten Abgase der Wirbelschicht unter Umgehung der Vorwärm- und Vorkalzinationszone
abgeführt und letztere ausschließlich mit Kühlluft gespeist werden.
[0018] Ein Ausführungsbeispiel einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist in der Zeichnung veranschaulicht.
[0019] Die Anlage enthält einen Vorwärmer 1, eine Vorkalzinationszone 2 und einen schachtförmigen
Reaktionsraum 3 mit einer Wirbelschicht 4 und einer Kühlzone 5.
[0020] Im Vorwärmer 1, der beispielsweise als mehrstufiger Zyklonwärmetauscher ausgebildet
sein kann, wird das bei 6 aufgegebene pulverförmige Rohmaterial im Gegenstrom durch
heiße Gase (Pfeil 7) vorgewärmt und gelangt dann (Pfeil 8) in die Vorkalzinationszone
2, wo es durch die heißen Abgase (Pfeil 9) des Reaktionsraumes 3 und zusätzlichen
Brennstoff (Pfeil 10) sehr hoch, vorzugsweise bis auf einen Entsäuerungsgrad von 80
bis 95%, vorkalziniert wird.
[0021] Das vorkalzinierte Gut wird dann (Pfeile 11, 12) Förderleitungen 13, 14 zugeführt,
über die es zusammen mit Brennstoff 15 bzw. 16 an wenigstens zwei einander gegenüberliegenden
Stellen vom Umfang her pneumatisch in die Wirbelschicht 4 eingetragen wird (Pfeile
17).
[0022] Der lichte Querschnitt des Reaktionsraumes 3 ist im Bereich der Einmündung der Förderleitungen
13, 14 verengt und erweitert sich von dieser Guteinführzone aus nach oben hin konisch.
Der Querschnitt des Reaktionsraumes 3 sowie die Strömungsgeschwindigkeiten der Luft
sind so bemessen, daß sich in dem zur Einführung des vorkalzinierten Gutes bestimmten
unteren Bereich der Wirbelschicht, d.h. etwa auf der Höhe der Förderleitungen 13,
14, etwa derselbe Lückengrad, vorzugsweise zwischen 0,6 und 0,7, wie im oberen Bereich
der Wirbelschicht einstellt.
[0023] In der Wirbelschicht 4 wird das vorkalzinierte Gut zu Zementklinker gebrannt. Nach
Erreichen einer bestimmten Klinkergröße gelangt das gebrannte Gut in die Kühlzone
5, der von unten her durch den luftdurchlässigen Boden 18 ein Kühlluftstrom (Pfeile
19) zugeführt wird.
[0024] Das gekühlte Gut wird durch eine rotierende Austragseinrichtung 20 abgezogen (Pfeil
21). Ein Teil des Gutes wird als Saatklinker in die Wirbelschicht 4 rezykliert (Pfeil
22).
[0025] Ein durch die Pfeile 23 gekennzeichneter Teil des Kühlluitstromes wird von unten
her als Auflockerungs-und Verbrennungsluft in die Wirbelschicht 4 eingeführt. Ein
weiterer Teil (Pfeil 24) wird seitlich am Umfang des oberen Bereiches der Kühlzone
5 durch eine Luftabzugsleitung abgezogen, eventuell in einem Zyklon 25 entstaubt und
durch ein Gebläse 26 den Förderleitungen 13, 14 als Förderluft für das vorkalzinierte
Gut (Pfeile 11, 12) und den Brennstoff (Pfeile 15, 16) zugeführt (Pfeile 27, 28).
[0026] Ein weiterer Teil dieser vom Gebläse 26 geförderten Luft kann - zweckmäßig unterhalb
der Ebene der Förderleitungen 13, 14 - als zusätzliche Seitenluft in die Wirbelschicht
4 eingeführt werden (Pfeile 29, 30).
[0027] Ein weiterer Anteil der vom Gebläse 26 geförderten Luft der Kühlzone 5 kann als zusätzliche
Verbrennungsluft der Vorkalzinationszone 2 zugeleitet werden (Pfeil 31). Ein eventuell
überschüssiger Luftanteil (Pfeil 32) kann verworfen oder anderweit verwertet werden.
Ebenso kann ein gewisser Anteil der Abgase der Wirbelschicht.4 - insbesondere bei
hohem Alkaligehalt - unter Umgehung der Vorkalzinationszone 2 und des Vorwärmers 1
abgezweigt werden (Pfeil 33).
[0028] Zur Regelung der in der Wirbelschicht 4 befindlichen Gutmenge enthält die Anlage
vier Druckmeßstellen 34, 35, 36 und 37, von denen die Druckmeßstelle 34 etwa im Bereich
der Guteinführung liegt, die Meßstelle 35 etwa auf 1/3 bis 1/2 der Höhe der Wirbelschicht
4, die Druckmeßstelle 36 im oberen Drittel der Wirbelschicht und die Druckmeßstelle
37 in der Abgasleitung der Wirbelschicht.
[0029] Die vier Druckmeßstellen sind an einen Druckumformer 38 angeschlossen, der mit einem
Regler 39 verbunden ist. Dieser Regeler 39 wirkt einerseits auf die Austragseinrichtung
20 (Steuerleitung 40) und andererseits auf eine Gutaufgabe-Dosiereinrichtung 41 (Steuerleitung
42).
[0030] Der Regler 39 hält die in der Wirbelschicht 4 befindliche Gutmenge konstant, indem
beispielsweise durch die vom Regler 39 gesteuerte Austragseinrichtung 20 jeweils nur
die über dem Sollwert befindliche Gutmenge aus der Kühlzone 5 und damit aus der Wirbelschicht'4
ausgetragen oder indem durch die Gutaufgabe-Dosiereinrichtung 41 jeweils eine am Sollwert
fehlende Gutmenge zugeführt wird. Als Maß für die in der Wirbelschicht 4 befindliche
Gutmenge wird ein von den Druckmeßstellen 34 bis 37 gelieferter Druckwert verwendet,
beispielsweise die Differenz der an den Meßstellen 34 und 37 bestimmten Drücke.
[0031] Zur weiteren Erläuterung der Erfindung diene folgendes Beispiel:
In der Wirbelschicht (einschließlich ihrer engsten Stelle im Bereich der Gut- und
Brennstoffeinführung) wird eine Gasgeschwindigkeit von ca.
6 m/s und ein Lückengrad (Verhältnis von Leervolumen zu Gesamtvolumen der Wirbelschicht)
von etwa 0,65 eingestellt; in der Kühlzone beträgt die Gasgeschwindigkeit ca. 2 m/s
und der Lückengrad etwa 0,4 oder weniger.
[0032] Die Körnung des Saatklinkers beträgt 2 bis 4 mm; das Verhältnis Rohmehl/Saatklinker
liegt bei 4 : 1.
[0033] Das vorgewärmte und vorkalzinierte Gut wird mit einer Temperatur von ca. 840°C in
die Wirbelschicht 4 eingeführt. In dieser Wirbelschicht herrscht eine Temperatur zwischen
1300 und 1350°C. In der Kühlzone 5 wird das Gut auf eine Temperatur von 80 bis 120°C
abgekühlt.
[0034] Der Glühverlust des Rohmateriales nach dem Vorwärmer liegt bei 5%. Die Körnung des
entsäuerten Rohmateriales beträgt 44% > 90µ und 8,8% > 200µ.
[0035] Die Luftmengen können wie folgt gewählt werden: Der Kühlzone 5 werden von unten 1,00
Nm
3/kg Klinker zugeführt. Hiervon gelangen 0,33 Nm
3/kg Kl direkt von unten her (Pfeile 23) in die Wirbelschicht, während 0,67 Nm
3/kg Kl seitlich (Pfeil 24) aus der Kühlzone abgezogen werden. Von diesem letzteren
Teil gelangen 0,17 Nm
3/kg Kl als Förderluft (Pfeile 27, 28) für vorkalziniertes Gut und Brennstoff von der
Seite her in die Wirbelschicht 4, während 0,5 Nm
3/kg Kl unmittelbar (Pfeil 31) der Vorkalzinationszone 2 zugeführt werden. Eine gleich
große Luftmenge (0,5 Nm'/kg Kl) gelangt als Abgase der Wirbelschicht in die Vorkalzinationszone
2 (Pfeil 9).
[0036] Der zwischen den Druckmeßstellen 34 und 37 gemessene Differenzdruck liegt zwischen
800 und 1200 mm WS, der Differenzdruck zwischen den Druckmeßstellen 35 und 37 zwischen
250 und 400 mm WS.
1. Verfahren zur Herstellung von Zement durch Brennen von pulverförmigem Rohmaterial
in einer Wirbelschicht, in die vorgewärmtes Rohmaterial, Brennstoff, vorgewärmte Luft
sowie ein rezyklierter Teil des gebrannten Gutes eingeführt werden, wobei das aus
der Wirbelschicht ausgetragene Gut anschließend in einer Kühlzone durch einen Kühlluftstrom
gekühlt wird, gekennzeichnet durch dia Kombination folgender Merkmale:
a) Das vorgewärmte Rohmaterial wird vor Aufgabe in die Wirbelschicht in einer Vorkalzinationszone
mit zusätzlichem Brennstoff bis auf einen Entsäuerungsgrad von mindestens 40%, vorzugsweise
von 80 bis 95%, vorkalziniert;
b) aus dem unteren Bereich der Wirbelschicht gelangt das gebrannte Gut in eine unmittelbar
darunter befindliche, die Kühlzone bildende Gutschüttung;
c) ein Teil des Kühlluftstromes wird von unten her und ein weiterer Teil von der Seite
her in die Wirbelschicht eingeführt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vorkalzinierte Gut durch
einen Teil des Kühlluftstromes, vorzugsweise mit einem Impuls zwischen 5 und 10 kps,
von der Seite her in die Wirbelschicht eingeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zur Einführung des
vorkalzinierten Gutes bestimmten unteren Bereich der Wirbelschicht durch eine Querschnittsverengung
etwa derselbe Lückengrad wie im oberen Bereich der Wirbelschicht, vorzugsweise ein
Lückengrad zwischen 0,5 und 0,8, eingestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil des Brennstoffes
unterhalb der Oberfläche der Wirbelschicht, vorzugsweise etwa in Höhe der Zufuhr des
vorkalzinierten Gutes, von der Seite her in die Wirbelschicht eingeführt wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein
Teil des Brennstoffes zusammen mit dem vorkalzinierten Gut an mehreren, vorzugsweise
gleichmäßig über den Umfang der Wirbelschicht verteilten Stellen, von der Seite her
durch einen Teil des Kühlluftstromes in die Wirbelschicht eingeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Wirbelschicht
befindliche Gutmenge in Abhängigkeit von einem in der Wirbelschicht gemessenen Gasdruck,
vorzugsweise in Abhängigkeit von der Differenz zwischen einem in der Wirbelschicht
gemessenen Gasdruck und einem in der Abgasleitung der Wirbelschicht gemessenen Gasdruck,
geregelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß etwa 50 bis 90%, vorzugsweise
etwa 2/3 der gesamten, der Wirbelschicht zugeführten Luft von unten her und 10 bis
50%, vorzugsweise etwa 1/3, der Luft von der Seite her in die Wirbelschicht eingeleitet
werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorwärm- und Vorkalzinationszone
ein einstellbarer-Teil der Abgase der Wirbelschicht sowie vorzugsweise ein einstellbarer
Teil des Kühlluftstromes zugeführt wird, während der übrige Teil der Abgase der Wirbelschicht
unter Umgehung der Vorwärm- und Vorkalzinationszone abgeführt wird.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß ein schachtförmiger Reaktionsraum (3) vorgesehen ist, der im unteren
Bereich eine Kühlzone (5) und darüber eine Wirbelschicht (4) aufweist, ferner ein
vorzugsweise als mehrstufiger Gegenstrom-Wärmetauscher ausgebildeter Vorwärmer (1),
der eine mit zusätzlichem Brennstoff (10) versorgte Vorkalzinationszone (2) enthält,
und daß am Umfang des oberen Bereiches der Kühlzone (5) wenigstens eine Luftabzugsleitung
(Pfeil 24) angeschlossen ist, die über ein Gebläse (26) mit einer das vorkalzinierte
Gut in die Wirbelschicht (4) einführenden pneumatischen Förderleitung (13, 14), einer
einen weiteren Luftstrom von der Seite her in die Wirbelschicht (4) einführenden Leitung
(pfeile29, 30) sowie vorzugsweise mit einer der Vorkalzinationszone (2) Verbrennungsluft
zuführenden Leitung (Pfeil 31) verbunden ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich der lichte Querschnitt
des Reaktionsraumes (3) von der Guteinführzone (Förderleitungen 13, 14) nach oben
hin konisch erweitert..