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WO2024046818A1 - Reduktion von co2-emissionen bei der herstellung von zementklinker - Google Patents

Reduktion von co2-emissionen bei der herstellung von zementklinker Download PDF

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Publication number
WO2024046818A1
WO2024046818A1 PCT/EP2023/073055 EP2023073055W WO2024046818A1 WO 2024046818 A1 WO2024046818 A1 WO 2024046818A1 EP 2023073055 W EP2023073055 W EP 2023073055W WO 2024046818 A1 WO2024046818 A1 WO 2024046818A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
shaft furnace
shaft
raw material
fraction
plant
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2023/073055
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jost Lemke
Eike Willms
Constantin KIMMIG
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ThyssenKrupp AG
Thyssenkrupp Polysius GmbH
Original Assignee
ThyssenKrupp AG
Thyssenkrupp Polysius GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from BE20225684A external-priority patent/BE1030823B1/de
Priority claimed from DE102022208981.2A external-priority patent/DE102022208981A1/de
Application filed by ThyssenKrupp AG, Thyssenkrupp Polysius GmbH filed Critical ThyssenKrupp AG
Priority to CN202380061083.2A priority Critical patent/CN119768656A/zh
Priority to EP23761807.9A priority patent/EP4581315A1/de
Publication of WO2024046818A1 publication Critical patent/WO2024046818A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B7/00—Rotary-drum furnaces, i.e. horizontal or slightly inclined
    • F27B7/20—Details, accessories or equipment specially adapted for rotary-drum furnaces
    • F27B7/2016—Arrangements of preheating devices for the charge
    • F27B7/2025—Arrangements of preheating devices for the charge consisting of a single string of cyclones
    • F27B7/2033—Arrangements of preheating devices for the charge consisting of a single string of cyclones with means for precalcining the raw material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B7/00—Hydraulic cements
    • C04B7/36—Manufacture of hydraulic cements in general
    • C04B7/364—Avoiding environmental pollution during cement-manufacturing
    • C04B7/367—Avoiding or minimising carbon dioxide emissions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C04B7/36—Manufacture of hydraulic cements in general
    • C04B7/43—Heat treatment, e.g. precalcining, burning, melting; Cooling
    • C04B7/44—Burning; Melting
    • C04B7/4469—Burning; Melting in shaft or vertical kilns
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C04B7/00—Hydraulic cements
    • C04B7/36—Manufacture of hydraulic cements in general
    • C04B7/43—Heat treatment, e.g. precalcining, burning, melting; Cooling
    • C04B7/44—Burning; Melting
    • C04B7/4476—Selection of the kiln atmosphere
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B1/00—Shaft or like vertical or substantially vertical furnaces
    • F27B1/005—Shaft or like vertical or substantially vertical furnaces wherein no smelting of the charge occurs, e.g. calcining or sintering furnaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B1/00—Shaft or like vertical or substantially vertical furnaces
    • F27B1/02—Shaft or like vertical or substantially vertical furnaces with two or more shafts or chambers, e.g. multi-storey

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for the simple partial separation of CO2, which is produced during the production of cement clinker
  • a lime shaft kiln is known from DE 10 2021 204 175.
  • a ring shaft furnace is known from DE 10 2021 202 485.
  • the object of the invention is to provide a plant for the production of cement clinker, which, starting from a conventional plant, separates part of the CO2 in a simple manner.
  • the system according to the invention is used to produce cement clinker.
  • the plant has a raw material supply, a mill, a preheater, a calciner, an oven and a material cooler.
  • the provision of raw materials can be a dump, a delivery point, for example an unloading station, a silo or the like.
  • the material flow is led from the raw material supply via the mill, the preheater, the calciner, the oven and the material cooler.
  • the material cooler has a product outlet.
  • This is a conventional plant for producing cement clinker. In particular, it can also be an existing plant for the production of cement clinker, which is within the meaning of the invention is revised in order to easily reduce part of the CCh emissions.
  • the plant for producing cement clinker according to the generic term is therefore known to those skilled in the art.
  • a corresponding system according to the prior art is thus modified in a manner according to the invention in order to separate a portion of the CO2 in a simple manner and thus to quickly at least reduce the climate impact as part of a simple measure.
  • the system has a screening device.
  • the screening device is connected to the raw material supply for supplying raw material.
  • the screening device is designed to separate a coarse particle stream and a fine particle stream.
  • the separation between coarse particles and fine particles is preferably between 5 mm and 50 mm, although of course an exact separation precision is not necessary and does not make sense from a technical point of view. For example, even fine particles can unintentionally end up in the coarse fraction during a sieving process.
  • the separation between coarse particles and fine particles is therefore between 5 mm and 50 mm.
  • a sieve with a hole size of 30 mm is used, so in the ideal case this would theoretically result in a fine particle fraction with all particles smaller than 30 mm and a coarse particle fraction with particles larger than 30 mm.
  • the fine particle fraction is therefore found in the fine particle stream and the coarse particle fraction is found in the coarse particle stream.
  • the system has a shaft furnace.
  • Shaft furnaces are well known, by way of example and preferably it can be a shaft furnace according to DE 10 2021 204 175 or according to DE 10 2021 202 485.
  • the screening device is connected to the shaft furnace to transfer the stream of coarse particles. Only the coarse particle fraction is then thermally treated in the shaft furnace.
  • the shaft furnace is connected to the mill for transferring the thermally treated raw material.
  • GGR shaft furnace known for example from WO 2011/072894 A1
  • Oxidizing gas is added to the combustion shaft
  • Direct current with the material and fuel is supplied, with the resulting hot exhaust gases together with the heated cooling air supplied from below being passed via the overflow channel into the exhaust shaft, where the exhaust gases are discharged upwards in countercurrent to the material and thereby preheat the material.
  • the material is usually fed into the shaft from above together with the oxidizing gas, with fuel being injected into the combustion zone.
  • the material to be burned usually passes through a preheating zone in each shaft for preheating the material, an adjoining burning zone in which the material is burned and an adjoining cooling zone in which cooling air is supplied to the hot material.
  • a second advantage is that the grindability of the material and thus in particular the large particles is improved by the thermal treatment.
  • Complete decarbonization does not have to be achieved in the shaft furnace. Rather, for the most efficient use of the entire system, it is advantageous, for example, to only decarbonize the coarse particle fraction by 80 to 90%.
  • the material thermally treated in the shaft furnace is fed via the mill to the usual process in the preheater, calciner and oven, so that complete thermal treatment takes place here, especially in the oven.
  • the shaft furnace reduces the fuel requirement in the calciner as well as the release of CO2 from the starting material. This means that the existing system can remain unchanged; the CO2 is simply separated for the CO2 emissions of the shaft furnace.
  • a lime kiln system includes at least one shaft kiln for firing and cooling material such as carbonate rock, the lime kiln system comprising two shafts and a channel extending between the two shafts.
  • the shaft kiln comprises exactly one of the shafts of the lime kiln system, the shaft having a material inlet for admitting material to be burned into the shaft and, in the direction of flow of the material, a preheating zone for preheating the material, a firing zone for firing the material, a cooling zone for cooling the material and a material outlet for discharging the material from the shaft having.
  • the channel has a closure device for gas-technical closure of the channel, so that a gas flow between the two shafts through the channel is prevented by means of the closure device.
  • the material to be burned is preferably limestone or dolomite stone with a grain size of 10 to 200 mm, preferably 15 to 120 mm, most preferably 30 to 100 mm.
  • the cooling gas is, for example, air.
  • the lime kiln system is preferably a shaft kiln that can be operated as a cocurrent-countercurrent regenerative shaft kiln, the channel for connecting the shafts, in particular the combustion zones of the shafts, being closed.
  • the lime kiln system has at least one shaft kiln.
  • the shaft kiln system has two shaft kilns, each of which includes exactly one of the shafts of the lime kiln system.
  • the shaft furnaces are preferably separated from one another in terms of gas technology and can in particular be operated separately from one another for burning material.
  • the shaft of the at least one shaft kiln of the lime kiln system preferably has a material inlet for admitting material to be burned into the shaft, the material inlet being located in particular at the upper end of the shaft, so that the material falls into the shaft due to gravity.
  • the material inlet and/or the material outlet is/are designed in particular as a lock for letting in and/or letting out material into the shaft furnace.
  • a material inlet designed as a lock is preferably designed in such a way that only the raw material to be burned gets into the shaft, but not the ambient air.
  • the lock is preferably designed in such a way that it seals the shaft airtight from the environment and allows solids, such as the material to be burned, to enter the shaft.
  • the material flows through a preheating zone following the material inlet for preheating the material to a temperature of, for example, approximately 600 ° C to 800 ° C.
  • the firing zone preferably adjoins the preheating zone directly and serves to burn the material, which is preferably heated to a temperature of approximately 900 ° C to 1600 ° C.
  • the cooling zone preferably adjoins the firing zone directly and serves to cool the fired material to a temperature of, for example, 100 ° C.
  • the material outlet is arranged, for example, in an outlet funnel adjoining the cooling zone, the material outlet having, for example, a turntable or push tables for discharging material from the cooling zone into the Outlet funnel.
  • the cooling gas is preferably blown into the cooling zone of the shaft furnace via a cooling gas inlet.
  • the cooling gas inlet is preferably arranged in the cooling zone, in particular below the turntable.
  • a plurality of burners, in particular burner lances, are preferably arranged in the combustion zone of the shaft. It is also conceivable that the shaft has a plurality of side burners which extend through the shaft wall into the combustion zone.
  • the side burners are preferably designed as burner lances and in particular tubular. They serve to conduct fuel and preferably an oxidizing agent, which is introduced into the combustion zone together with exhaust gas.
  • the closure device preferably extends over the entire cross section of the channel. The gas-technical closure of the channel using a closure device enables the two shafts of the lime kiln system to be operated separately. For further embodiments, reference is made to DE 10 2021 204 175.
  • the shaft furnace is designed for operation with a gas of at least 50% oxygen.
  • the screening device is designed for a separation of between 5 mm and 50 mm.
  • the sieve device is therefore chosen so that the sieve hole size is between 5 mm and 50 mm. This means that the fine fraction is below the selected value and the coarse fraction is above the selected value.
  • the shaft furnace is designed for operation with a gas of at least 90% oxygen.
  • the exhaust gas stream from the combustion and the CO2 emerging from the lime (after separation of water) would be pure carbon dioxide, which can then be easily reused or stored. Since only one additional shaft kiln has to be installed when retrofitting an existing cement plant, this can be designed to work with highly enriched oxygen without having to convert the existing components such as preheater, calciner and kiln Need to become.
  • the use of enriched oxygen greatly simplifies the CCh separation.
  • a CO2 separation device is connected downstream of the shaft furnace. This can be carried out particularly easily if the shaft furnace is designed for operation with a gas of at least 50% oxygen, preferably at least 90% oxygen. Separation of water is usually always necessary.
  • the CCh separation device can be preceded by a dust separator or other usual pretreatments.
  • the system has two shaft furnaces.
  • the shaft furnaces are designed according to DE 10 2021 204 175 and are operated alternately. Such an arrangement is called a direct current regenerative lime shaft kiln.
  • the invention relates to a method for producing cement clinker.
  • a system according to the invention is preferably used for the method according to the invention.
  • the process has the following steps: a) sieving the raw material into a coarse fraction and a fine fraction, b) thermally treating the coarse fraction in a shaft furnace with a gas of at least 50% oxygen, c) mixing the fine fraction and the thermally treated coarse fraction and then Grinding or grinding the fine fraction and grinding the thermally treated coarse fraction and then mixing, d) preheating the material, e) calcining the material, f) firing the material in a furnace, g) cooling the product.
  • step a) the coarse fraction is separated off.
  • an oversized fraction can also be separated, for example for particles with a size of more than 100 to 200 mm.
  • the starting material is broken in a crusher, in this case the oversized one is preferred Fraction returned to the crusher. This prevents particles that are too large from being contained in the coarse fraction.
  • a significantly coarser fraction can be thermally treated.
  • the coarser fraction particularly contains calcium carbonate. Therefore, a simple thermal treatment and thus a separation of the CO2 produced in this step is possible, whereby the further system can be operated unchanged according to the state of the art.
  • the grindability of the material also increases, which in turn reduces the energy consumption, especially for the largest particles, and thus further increases the overall efficiency of the process.
  • step c) there are two options.
  • the fine fraction and the thermally treated coarse fraction are first mixed and then ground together.
  • the two fractions are ground separately and then mixed. It is important that at the end the fractions are mixed again and fed into the cement clinker process in steps d) to g).
  • step e An important point here is that less energy is required during calcination in step e) because part (the coarse fraction) has already been decarbonized. Therefore, less energy and therefore less fuel is required in the calciner and therefore less CO2 is produced, which is then released into the environment according to the state of the art. Thus, part of the CO2 originating from the fuel is generated in the shaft furnace by the method according to the invention and is therefore separated.
  • the sieving in step a) takes place to a size of 5 to 50 mm, for example to 30 mm. This results in a good size distribution of the starting material for the shaft furnace using common raw materials. At the same time, it is possible to transfer 20 to 40% of the resulting CO2 into the shaft furnace, so that this CO2 can be easily separated without having to adapt the other system, in particular the furnace and calciner. It is therefore comparatively easy and quick to avoid a relevant proportion of CO2 emissions.
  • the raw material is broken before sieving in step a).
  • the thermal treatment in step b) takes place in two shafts of a GGR shaft furnace in alternating order.
  • two shaft furnaces reference is made, for example, and in particular to DE 10 2021 204 175.
  • the coarse fraction after treatment in the shaft furnace has a carbon dioxide content of between one and eight percent by mass, preferably between three and five percent by mass.
  • the carbon dioxide is in the form of carbonate, i.e. chemically bound. This means that the coarse fraction releases this carbon dioxide from the carbonate during further treatment in the calciner and oven.
  • this range enables the greatest possible Co2 separation, and on the other hand, the residual content leads to an improved product after the actual treatment.
  • FIG. 1 Schematic of a system
  • the starting raw material for the production of cement clinker is provided in a raw material supply 10. This contains, for example, calcium carbonate in particular.
  • the raw material is broken in an optional crusher 20 and sieved in a screening device 30.
  • the coarse fraction for example everything over 20 mm, is fed to a shaft furnace 40 and thermally treated.
  • the fine fraction from the screening device 30 and the thermally treated material from the shaft furnace 40 are fed together to a mill 50 and ground together and mixed intimately.
  • the product ground in the mill 50 is deacidified in a preheater 60 and deacidified in the calciner 70 finally fired in the oven 80, in particular a rotary kiln.
  • the finished burned cement clinker is cooled in the material cooler 90.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Herstellung von Zementklinker, wobei die Anlage eine Rohstoffbereitstellung (10), eine Mühle (50), einen Vorwärmer (60), einen Calcinator (70), einen Ofen (80) und einen Materialkühler (90) aufweist, wobei der Materialstrom von der Rohstoffbereitstellung (10) über die Mühle (50), den Vorwärmer (60), den Calcinator (70), den Ofen (80) und den Materialkühler (90) geführt wird, wobei der Materialkühler (90) einen Produktauslass aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage eine Siebvorrichtung (30) aufweist, wobei die Siebvorrichtung (30) zur Zuführung von Rohstoff mit der Rohstoffbereitstellung (10) verbunden ist, wobei die Siebvorrichtung (30) zur Abtrennung eines Grobpartikelstroms und eines Feinpartikelstromes ausgebildet ist, wobei die Anlage einen Schachtofen (40) aufweist, wobei die Siebvorrichtung (30) zur Überführung des Grobpartikelstromes mit dem Schachtofen (40) verbunden ist, wobei der Schachtofen (40) mit der Mühle (50) zur Überführung des thermisch behandelten Rohstoffs verbunden ist.

Description

Reduktion von CO2-Emissionen bei der Herstellung von Zementklinker
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur einfachen partiellen Abtrennung von CO2, welches bei der Herstellung von Zementklinker entsteht
Auf der einen Seite gibt es die Möglichkeit, CO2 aus dem Abgas einer beliebigen Anlage herauszuwaschen und abzutrennen. Derartige Verfahren sind universell einsetzbar. Aufgrund des üblicherweise hohen Stickstoff-Anteils sind sie jedoch aufwändig. Daher gibt es Anlagen, die beispielsweise mit reinem Sauerstoff arbeiten, sodass am Ende praktisch reines CO2 entsteht und eine Abtrennung daher entfallen kann. Dieses ist jedoch üblicherweise mit einer Neukonstruktion der Anlage verbunden.
Aus der DE 10 2018 206 673 A1 und aus der DE 10 2018 206 674 A1 sind Anlagen zur Herstellung von Zementklinker bekannt, bei denen im Prozess möglichst stark angereicherter Sauerstoff verwendet wird, wodurch das Abgas möglichst reines Kohlendioxid aufweist, sodass dieses vergleichswiese einfach abgetrennt werden kann, um dieses zu verwenden oder zu lagern. Nachteil ist jedoch, dass eine bestehende Anlage vollständig umgebaut werden muss, beziehungsweise eine Anlage neu konstruiert werden muss.
Es besteht daher das Interesse, bestehende Anlagen in einfacher Weise zu modifizieren, um wenigstens einen Teil der CCh-Emissionen zu reduzieren, ohne eine komplett neue Anlage erstellen zu müssen. Der Fokus liegt somit auf einer schnellen und einfachen Umsetzung, dafür aber nur einer Teilabtrennung.
Aus der DE 10 2021 204 175 ist ein Kalkschachtofen bekannt.
Aus der DE 10 2021 202 485 ist ein Ringschachtofen bekannt.
Aus der DE 11 2010 004 030 B4 ist ein vertikaler Brennofen mit drei konzentrischen Zylindern bekannt. Aus der EP 2 018 353 B1 ist ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung von Zementklinker bekannt.
Aus der WO 2007 / 099 415 A1 ist ein Verfahren und eine Anlage zur Trocknung und Förderung von feuchtem mineralischem Rohstoff bekannt.
Aus der DE 199 29 066 A1 ist eine Anlage zur Herstellung von Zementklinker bekannt.
Aus der DE 198 45 495 A1 ist ein Verfahren zum Brennen von carbonathaltigem Gestein unter Erzeugung eines Abgasstromes mit hohem CO2-Gehalt sowie ein Doppelschachtofen zur Durchführung des Verfahrens bekannt.
Aus der DE 10 2008 059 370 A1 ist ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung von Zement bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anlage zur Herstellung von Zementklinker bereitzustellen, die ausgehend von einer konventionellen Anlage einen Teil des CO2 in einfacher Art und Weise abtrennt.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Anlage mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie das Verfahren mit den in Anspruch 6 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie der Zeichnung.
Die erfindungsgemäße Anlage dient zur Herstellung von Zementklinker. Die Anlage weist eine Rohstoffbereitstellung, eine Mühle, einen Vorwärmer, einen Calcinator, einen Ofen und einen Materialkühler auf. Die Rohstoffbereitstellung kann eine Halde, ein Anlieferungspunkt, beispielsweise eine Entladestation, ein Silo oder dergleichen sein. Der Materialstrom wird von der Rohstoffbereitstellung über die Mühle, den Vorwärmer, den Calcinator, den Ofen und den Materialkühler geführt. Der Materialkühler weist einen Produktauslass auf. Soweit handelt es sich um eine konventionelle Anlage zur Herstellung von Zementklinker. Insbesondere kann es sich auch um eine bestehende Anlage zur Herstellung von Zementklinker handeln, die im Sinne der Erfindung überarbeitet wird, um in einfacher Weise einen Teil der CCh-Emissionen zu reduzieren. Die Anlage zur Herstellung von Zementklinker gemäß dem Oberbegriff ist dem Fachmann somit bekannt.
Eine entsprechende Anlage nach dem Stand der Technik wird somit in erfindungsgemäßer Weise modifiziert, um einen Anteil des CO2 in einfacher Weise abzutrennen und damit die Klimaauswirkung im Rahmen einer einfachen Maßnahme schnell wenigstens zu senken.
Die Anlage weist eine Siebvorrichtung auf. Die Siebvorrichtung ist zur Zuführung von Rohstoff mit der Rohstoffbereitstellung verbunden. Die Siebvorrichtung ist zur Abtrennung eines Grobpartikelstroms und eines Feinpartikelstromes ausgebildet. Die Trennung zwischen Grobpartikel und Feinpartikel erfolgt bevorzugt zwischen 5 mm bis 50 mm, wobei natürlich eine exakte Trennschärfe nicht notwendig und technisch nicht sinnvoll ist. Beispielsweise können auch feine Partikel bei einem Siebvorgang ungewollt in der Grobfraktion landen. Somit ist die Trennung zwischen Grobpartikeln und Feinpartikeln zwischen 5 mm und 50 mm. Rein beispielhaft wird ein Sieb von 30 mm Lochgröße verwendet, so ergäbe sich theoretisch im idealen Fall eine Feinpartikelfraktion mit allen Partikeln kleiner als 30 mm und eine Grobpartikelfraktion mit Partikeln größer als 30 mm. Somit findet sich die Feinpartikelfraktion im Feinpartikelstrom und die Grobpartikelfraktion im Grobpartikelstrom. Die Anlage weist einen Schachtofen auf. Schachtöfen sind allgemein bekannt, beispielhaft und bevorzugt kann es sich um einen Schachtofen gemäß der DE 10 2021 204 175 oder gemäß der DE 10 2021 202 485 handeln. Die Siebvorrichtung ist zur Überführung des Grobpartikelstromes mit dem Schachtofen verbunden. Im Schachtofen erfolgt dann die thermische Behandlung nur der Grobpartikelfraktion. Der Schachtofen ist mit der Mühle zur Überführung des thermisch behandelten Rohstoffs verbunden.
Das Brennen von Karbonatgestein in einem GGR-Schachtofen ist seit etwa 60 Jahren bekannt. Ein derartiger, beispielsweise aus der WO 2011/072894 A1 bekannter GGR- Schachtofen weist zwei vertikale, parallele Schächte auf, die zyklisch arbeiten, wobei nur in einem Schacht, dem jeweiligen Brennschacht, gebrannt wird, während der andere Schacht als Regenerativschacht arbeitet. Dem Brennschacht werden Oxidationsgas im Gleichstrom mit dem Material und Brennstoff zugeführt, wobei die dabei entstehenden heißen Abgase zusammen mit der von unten zugeführten, erwärmten Kühlluft über den Überstromkanal in den Abgasschacht geleitet werden, wo die Abgase im Gegenstrom zum Material nach oben abgeleitet werden und das Material dabei vorwärmen. Das Material wird üblicherweise von oben zusammen mit dem Oxidationsgas in den Schacht aufgegeben, wobei Brennstoffe in der Brennzone eingedüst werden. Das zu brennende Material passiert üblicherweise in jedem Schacht eine Vorwärmzone zum Vorwärmen des Materials, eine sich daran anschließende Brennzone, in der das Material gebrannt wird und eine sich daran anschließende Kühlzone, in der Kühlluft dem heißen Material zugeführt wird.
Es hat sich gezeigt, dass gerade in der Grobfraktion sich durch die großen Kalkpartikel eine leichte Abtrennung des CO2 gerade auch aus dem Ausgangsmaterial ermöglicht. Des Weiteren ist ein zweiter Vorteil, dass die Mahlbarkeit des Materials und damit insbesondere der großen Partikel sich durch die thermische Behandlung verbessert. Hierbei muss im Schachtofen keine vollständige Decarbonisierung erreicht werden. Vielmehr ist es für eine möglichst effiziente Nutzung des Gesamtsystems vorteilhaft, beispielsweise die Grobpartikelfraktion nur zu 80 bis 90 % zu Decarbonisieren. Das im Schachtofen thermisch behandelte Material wird über die Mühle dem üblichen Prozess in Vorwärmer, Calcinator und Ofen zugeführt, sodass eine vollständige thermische Behandlung hier, insbesondere auch im Ofen erfolgt. Durch den Schachtofen wird aber der Brennstoffbedarf im Calcinator ebenso reduziert, wie auch die Freisetzung des CO2 aus dem Ausgangsstoff. Dadurch kann die bestehende Anlage unverändert bleiben, die Abtrennung des CO2 erfolgt einfach nur für die CO2-Emission des Schachtofens.
Beispielsweise umfasst ein Kalkofensystem mit zumindest einem Schachtofen zum Brennen und Kühlen von Material, wie Karbonatgestein, wobei das Kalkofensystem zwei Schächte und einen Kanal, der sich zwischen den beiden Schächten erstreckt, umfasst. Der Schachtofen umfasst genau einen der Schächte des Kalkofensystems, wobei der Schacht einen Materialeinlass zum Einlassen von zu brennendem Material in den Schacht und in Strömungsrichtung des Materials eine Vorwärmzone zum Vorwärmen des Materials, eine Brennzone zum Brennen des Materials, eine Kühlzone zum Kühlen des Materials und einen Materialauslass zum Auslassen des Materials aus dem Schacht aufweist. Der Kanal weist eine Verschlusseinrichtung zum gastechnischen Verschließen des Kanals auf, sodass ein Gasstrom zwischen den beiden Schächten durch den Kanal mittels der Verschlusseinrichtung verhindert wird. Bei dem zu brennenden Material handelt es sich vorzugsweise um Kalkstein oder Dolomitstein mit einer Korngröße von 10 bis 200 mm, vorzugsweise von 15 bis 120 mm, höchstvorzugsweise 30 bis 100 mm. Bei dem Kühlgas handelt es sich beispielsweise um Luft. Bei dem Kalkofensystem handelt es sich vorzugsweise um einen als Gleichstrom-Gegenstrom-Regenerativ-Schachtofen betreibbaren Schachtofen, wobei der Kanal zur Verbindung der Schächte, insbesondere der Brennzonen der Schächte, verschlossen wurde. Das Kalkofensystem weist zumindest einen Schachtofen auf. Beispielsweise weist das Schachtofensystem zwei Schachtöfen auf, die jeweils genau einen der Schächte des Kalkofensystems umfassen. Die Schachtöfen sind vorzugsweise gastechnisch voneinander getrennt und insbesondere getrennt voneinander zum Brennen von Material betreibbar. Der Schacht des zumindest einen Schachtofen des Kalkofensystems weist vorzugsweise einen Materialeinlass zum Einlassen von zu brennendem Material in den Schacht auf, wobei sich der Materialeinlass insbesondere am oberen Ende des Schachts befindet, sodass das Material schwerkraftbedingt in den Schacht fällt. Der Materialeinlass und/ oder der Materialauslass ist/sind insbesondere als Schleuse zum Einlassen und/ oder Auslassen von Material in den Schachtofen ausgebildet. Ein als Schleuse ausgebildeter Materialeinlass ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass lediglich das zu brennende Rohmaterial in den Schacht gelangt, nicht aber die Umgebungsluft. Vorzugsweise ist die Schleuse derart ausgebildet, dass sie den Schacht luftdicht gegen die Umgebung abdichtet und einen Eintritt von Feststoffen, wie das zu brennende Gut, in den Schacht erlaubt. In Strömungsrichtung des Materials durchströmt das Material im Anschluss an den Materialeinlass eine Vorwärmzone zum Vorwärmen des Materials auf eine Temperatur von beispielsweise etwa 600 °C bis 800 °C. Die Brennzone schließt sich vorzugsweise direkt an die Vorwärmzone an und dient dem Brennen des Materials, wobei dieses vorzugsweise auf eine Temperatur von etwa 900 °C bis 1600 °C erhitzt wird. Die Kühlzone schließt sich vorzugsweise direkt an die Brennzone an und dient der Kühlung des gebrannten Materials auf eine Temperatur von beispielsweise 100 °C. Der Materialauslass ist beispielsweise in einem sich an die Kühlzone anschließenden Auslasstrichter angeordnet, wobei der Materialauslass beispielsweise einen Drehteller oder Schubtische aufweist zum Austragen von Material aus der Kühlzone in den Auslasstrichter. Das Kühlgas wird vorzugsweise über einen Kühlgaseinlass in die Kühlzone des Schachtofens eingeblasen. Der Kühlgaseinlass ist vorzugsweise in der Kühlzone, insbesondere unterhalb des Drehtellers, angeordnet. In der Brennzone des Schachts sind vorzugsweise eine Mehrzahl von Brennern, insbesondere Brennerlanzen, angeordnet. Es ist ebenfalls denkbar, dass der Schacht eine Mehrzahl von Seitenbrennern aufweist, die sich durch die Schachtwand in die Brennzone erstrecken. Die Seitenbrenner sind vorzugsweise als Brennerlanzen und insbesondere rohrförmig ausgebildet. Sie dienen dem Leiten von Brennstoff und vorzugsweise einem Oxidationsmittel, welches zusammen mit Abgas in die Brennzone eingebracht wird. Die Verschlusseinrichtung erstreckt sich vorzugsweise über den gesamten Querschnitt des Kanals. Das gastechnische Verschließen des Kanals mittels einer Verschlusseirichtung ermöglicht das getrennte Betreiben der beiden Schächte des Kalkofensystems. Für weitere Ausführungsformen wird auf die DE 10 2021 204 175 verwiesen.
Erfindungsgemäß ist der Schachtofen für den Betrieb mit einem Gas von mindestens 50 % Sauerstoff ausgelegt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Siebvorrichtung zu einer Trennung zwischen 5 mm und 50 mm ausgelegt. Die Siebvorrichtung wird also so gewählt, dass die Sieblochgröße zwischen 5 mm und 50 mm liegt. Damit ist die Feinfraktion dann unterhalb des gewählten Wertes, die Grobfraktion oberhalb des gewählten Wertes.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Schachtofen für den Betrieb mit einem Gas von mindestens 90 % Sauerstoff ausgelegt. Bei reinem Sauerstoff (und keinen aus dem Rohstoff entstehenden weiteren Gasen) wäre der Abgasstrom aus der Verbrennung und dem aus dem Kalk austretenden CO2 (nach Abtrennung von Wasser) reines Kohlendioxid, dass dann in einfacher Weise weiterverwendet oder gelagert werden kann. Da gerade bei einer Nachrüstung einer bestehenden Zementanlage eben nur ein zusätzlicher Schachtofen zusätzlich installiert werden muss, kann dieser für die Arbeitsweise mit hoch angereichertem Sauerstoff ausgelegt sein, ohne dass auch die bestehenden Komponenten wie Vorwärmer, Calcinator und Ofen hierauf umgerüstet werden müssen. Durch die Verwendung von angereichertem Sauerstoff vereinfacht sich somit die CCh-Abtrennung sehr deutlich.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist dem Schachtofen eine CO2- Abscheidevorrichtung nachgeschaltet. Diese kann besonders einfach ausgeführt werden, wenn der Schachtofen für den Betrieb mit einem Gas von mindestens 50 % Sauerstoff, bevorzugt mindestens 90 % Sauerstoff, ausgelegt ist. Eine Abtrennung von Wasser ist üblicherweise immer nötig. Der CCh-Abscheidevomchtung kann ein Staubabscheider oder weitere übliche Vorbehandlungen vorgeschaltet sein.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Anlage zwei Schachtöfen auf. Insbesondere sind die Schachtöfen gemäß der DE 10 2021 204 175 ausgeführt und werden wechselweise betrieben. Eine solche Anordnung wird als Gleichstrom- Regenerativ-Kalkschachtofen bezeichnet.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Zementklinker. Bevorzugt wird eine erfindungsgemäße Anlage für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: a) Sieben des Rohstoffs in eine Grobfraktion und eine Feinfraktion, b) Thermisches Behandeln der Grobfraktion in einem Schachtofen mit einem Gas von mindestens 50 % Sauerstoff, c) Vermischen der Feinfraktion und der thermisch behandelten Grobfraktion und anschließendes Mahlen oder Mahlen der Feinfraktion und Mahlen der thermisch behandelten Grobfraktion und anschließendes Vermischen, d) Vorwärmen des Materials, e) Kalzinieren des Materials, f) Brennen des Materials in einem Ofen, g) Abkühlen des Produkts.
In Schritt a) erfolgt die Abtrennung der Grobfraktion. Optional kann zusätzlich eine übergroße Fraktion, beispielsweise für Partikel mit einer Größe von mehr als 100 bis 200 mm abgetrennt werden. Beispielsweise erfolgt vor Schritt a) ein Brechen des Ausgangsmaterials in einem Brecher, in diesem Fall wird bevorzugt die übergroße Fraktion in den Brecher zurückgeführt. Hierdurch wird verhindert, dass zu große Partikel in der Grobfraktion enthalten sind.
Durch die thermische Behandlung in einem Schachtofen b) kann eine deutlich gröbere Fraktion thermisch behandelt werden. Zusätzlich ist die gröbere Fraktion besonders Calciumcarbonat-haltig. Daher ist eine einfache thermische Behandlung und damit eine Abtrennung des bei diesem Schritt anfallenden CO2 möglich, wobei die weitere Anlage unverändert nach dem Stand der Technik betrieben werden kann. Neben der Abtrennung von CO2 in vergleichsweise einfacher Art und Weise steigt auch die Mahlbarkeit des Materials, was wiederum den Energieaufwand gerade bei den größten Partikeln verringert und so die Gesamteffizienz des Prozesses weiter steigert.
In Schritt c) gibt es zwei Optionen. In einer ersten werden die Feinfraktion und die thermisch behandelte Grobfraktion zunächst gemischt und dann gemeinsam vermahlen. In einer zweiten werden die beiden Fraktionen getrennt gemahlen und anschließend vermischt. Wesentlich ist, dass am Ende bei Fraktionen wieder vermischt und dem Zementklinkerprozess in den Schritten d) bis g) zugeführt werden.
Ein wesentlicher Punkt hierbei ist, dass bei Kalzinieren in Schritt e) weniger Energie benötigt wird, da ein Teil (die Grobfraktion) bereits decarbonisiert ist. Daher wird im Calcinator weniger Energie und somit weniger Brennstoff benötigt und somit weniger CO2 erzeugt, welches dann nach dem Stand der Technik an die Umwelt abgegeben wird. Somit wird auch ein Teil des aus dem Brennstoff stammenden CO2 durch das erfindungsgemäße Verfahren im Schachtofen erzeugt und damit abgetrennt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Sieben in Schritt a) auf eine Größe von 5 bis 50 mm, beispielsweise auf 30 mm. Hierdurch ergibt sich bei üblichen Rohstoffen eine gute Größenverteilung des Ausgangsmaterials für den Schachtofen. Gleichzeitig ergibt sich so die Möglichkeit in der Größe von 20 bis 40 % des entstehenden CO2 in den Schachtofen zu verlegen, sodass dieses CO2 einfach abgetrennt werden kann, ohne die weitere Anlage, insbesondere Ofen und Calcinator anpassen zu müssen. Es ist somit vergleichsweise einfach und schnell möglich, einen relevanten Anteil der CO2-Emissionen zu vermeiden. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt vor dem Sieben in Schritt a) ein Brechen des Rohstoffs.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt für das thermische Behandeln in Schritt b) in zwei Schächten eines GGR-Schachtofens in abwechselnder Reihenfolge. Für die Durchführung mit zwei Schachtöfen wird beispielsweise und insbesondere auf die DE 10 2021 204 175 verwiesen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Grobfraktion nach der Behandlung im Schachtofen einen Kohlenstoffdioxidanteil zwischen einem und acht Masseprozent, vorzugsweise zwischen drei und fünf Masseprozent, auf. Das Kohlenstoffdioxid liegt in Form von Carbonat vor, also chemisch gebunden. Das bedeutet, dass die Grobfraktion bei der weiteren Behandlung im Calcinator und Ofen dieses Kohlenstoffdioxid aus dem Carbonat freisetzt. Dieser Bereich ermöglicht zum einen eine möglichst große Co2-Abtrennung, zum anderen führt der Restgehalt zu einem verbesserten Produkt nach der eigentlichen Behandlung.
Nachfolgend ist die erfindungsgemäße Anlage anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Fig. 1 Schema einer Anlage
In Fig. 1 ist eine Anlage schematisch dargestellt. In einer Rohstoffbereitstellung 10 wird der Ausgangsrohstoff für die Herstellung von Zementklinker bereitgestellt. Dieser enthält beispielsweise insbesondere Calciumcarbonat. Der Rohstoff wird in einem optionalen Brecher 20 gebrochen und in einer Siebvorrichtung 30 gesiebt. Die Grobfraktion, beispielsweise alles über 20 mm, wird einem Schachtofen 40 zugeführt und thermisch behandelt. Die Feinfraktion aus der Siebvorrichtung 30 und das thermisch behandelte Material aus dem Schachtofen 40 werden gemeinsam einer Mühle 50 zugeführt und gemeinsam vermahlen und dabei innig vermischt. Das in der Mühle 50 gemahlene Produkt wird in einem Vorwärmer 60 vorgewärmt im Calcinator 70 entsäuert und abschließend im Ofen 80, insbesondere einem Drehrohrofen, gebrannt. Der fertig gebrannte Zementklinker wird im Materialkühler 90 abgekühlt.
Wesentlich ist, dass gegenüber einer herkömmlichen Anlage lediglich eventuell die Siebvorrichtung 30 und vor allem der Schachtofen 40 hinzugefügt werden. Damit ist eine sehr leichte Nachrüstbarkeit gegeben, um bestehende Anlagen schnell und einfach umzurüsten und so wenigstens einen Teil der CO2-Emissionen einzusparen.
Bezugszeichen 10 Rohstoffbereitstellung
20 Brecher
30 Siebvorrichtung
40 Schachtofen
50 Mühle 60 Vorwärmer
70 Calcinator
80 Ofen
90 Materialkühler

Claims

Patentansprüche
1. Anlage zur Herstellung von Zementklinker, wobei die Anlage eine Rohstoffbereitstellung (10), eine Mühle (50), einen Vorwärmer (60), einen Calcinator (70), einen Ofen (80) und einen Materialkühler (90) aufweist, wobei der Materialstrom von der Rohstoffbereitstellung (10) über die Mühle (50), den Vorwärmer (60), den Calcinator (70), den Ofen (80) und den Materialkühler (90) geführt wird, wobei der Materialkühler (90) einen Produktauslass aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage eine Siebvorrichtung (30) aufweist, wobei die Siebvorrichtung (30) zur Zuführung von Rohstoff mit der Rohstoffbereitstellung (10) verbunden ist, wobei die Siebvorrichtung (30) zur Abtrennung eines Grobpartikelstroms und eines Feinpartikelstromes ausgebildet ist, wobei die Anlage einen Schachtofen (40) aufweist, wobei die Siebvorrichtung (30) zur Überführung des Grobpartikelstromes mit dem Schachtofen (40) verbunden ist, wobei der Schachtofen (40) mit der Mühle (50) zur Überführung des thermisch behandelten Rohstoffs verbunden ist, wobei der Schachtofen (40) für den Betrieb mit einem Gas von mindestens 50 % Sauerstoff ausgelegt ist.
2. Anlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Schachtofen (40) für den Betrieb mit einem Gas von mindestens 90 % Sauerstoff ausgelegt ist.
3. Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Siebvorrichtung (30) zu einer Trennung zwischen 5 mm und 50 mm ausgelegt ist.
4. Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schachtofen (40) eine CO2-Abscheidevorrichtung nachgeschaltet ist.
5. Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage zwei Schächten eines GGR-Schachtofens (40) aufweist.
6. Verfahren zur Herstellung von Zementklinker, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Sieben des Rohstoffs in eine Grobfraktion und eine Feinfraktion, b) Thermisches Behandeln der Grobfraktion in einem Schachtofen (40) mit einem Gas von mindestens 50 % Sauerstoff, c) Vermischen der Feinfraktion und der thermisch behandelten Grobfraktion und anschließendes Mahlen oder Mahlen der Feinfraktion und Mahlen der thermisch behandelten Grobfraktion und anschließendes Vermischen, d) Vorwärmen des Materials, e) Kalzinieren des Materials, f) Brennen des Materials in einem Ofen, g) Abkühlen des Produkts. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sieben in Schritt a) auf eine Größe von 5 bis 50 mm erfolgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Sieben in Schritt a) ein Brechen des Rohstoffs erfolgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für das thermische Behandeln in Schritt b) in zwei Schächten eines GGR- Schachtofens (40) in abwechselnder Reihenfolge erfolgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Grobfraktion nach der Behandlung im Schachtofen einen Kohlenstoffdioxidanteil zwischen einem und acht Masseprozent, vorzugsweise zwischen drei und fünf Masseprozent aufweist.
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