Optimierung von Kalzinatoren in der Zementindustrie

1 Entwicklungsstand der Brenntechnik

Seit der Einführung der Kalzinatortechnik in den 1960-er Jahren hat sich kein weiterer vergleichbarer Technologiesprung in der Pyroprozesstechnik zur Herstellung von Zement ergeben. Steinbiss gibt in [1] einen guten Überblick über die frühen Entwicklungen der Kalzinatortechnik sowie bereits einen Ausblick auf die Wirtschaftlichkeitsaspekte der Reststoffverbrennung. Neben einigen maschinentechnischen Innovationen im Bereich der Mahltechnik [2–8] hat es im Bereich der Brenntechnik in den letzten Jahren einige Entwicklungen bei der Kalzinator- und Klinkerkühlertechnik [9 –15] gegeben. Während die neuen Klinkerkühler im Wesentlichen neue mechanische Konzepte propagieren, haben die neuen Kalzinatorentwicklungen oftmals prozessrelevante Änderungen mit sich gebracht bzw. ermöglicht. Dies ist im Wesentlichen dem Umstand geschuldet, dass das Bestreben nach weiter erhöhtem Einsatz von sekundären Brennstoffen neue Ausbrand- und  Verweilzeit-Optionen für den Brennstoff im Kalzinator erforderlich macht. Somit steht der Kalzinator derzeit oftmals im Fokus der verfahrenstechnischen Entwicklungen als anspruchsvolle Prozesseinheit des Pyroprozesses, in der zwei Vorgänge aufeinander abgestimmt werden müssen, nämlich die Brennstoffumsetzung und die Kalzination [16 –20].

Seit Einführung der Kalzinatortechnik in den 1960-er Jahren hat sich eine Vielzahl von verfahrenstechnischen Konzepten und konstruktiven Ausführungen entwickelt, die zudem durch Hersteller-spezifische Namensgebungen eine verwirrende Lage der verfügbaren Technik erzeugen. Als mögliche Kategorien zur Typisierung bieten sich an:

– die Bauform als Rohr-Reaktor oder als erweitertes Gefäß

– die Prozessführung mit oder ohne Tertiärluft

– die Verschaltung in den Pyroprozess als sogenannter Inline-Kalzinator im Abgasstrang des Ofens (mit oder ohne vorher eingemischter Tertiärluft) oder als sogenannter Seperate-line-Kalzinator, dem nur Tertiärluft zugeführt wird

– die Art der Luft- oder Gasstufung

– die Art der Verbrennungsführung und der Eignung für ­stückige Brennstoffe

2 Der Kalzinationsprozess

Die grundsätzliche Aufgabe des Kalzinators, nämlich die Decarbonatisierung des Rohmehls ist allen verschiedenen Typen gemein, jedoch verläuft diese in den unterschiedlichen Kalzinatoren auf verschiedene Weise ab. Die Güte des Kalzinationsprozesses erweist sich in der Gleichmäßigkeit der Entsäurung des Mehls sowie in der damit einhergehenden homogenen Temperaturverteilung im Kalzinator auf möglichst niedrigem Niveau. Die Güte des Prozesses hängt dabei in hohem Maße und verschiedenster Weise von der Strömung der beteiligten Medien ab. Wärmeübergang, Reaktionsumsätze, Stofftransport und Druckverlust sind direkt abhängig davon, wie die Medien strömen, wo und wie sie untereinander vermischt werden und wie Ihr Wärmeaustausch abläuft.

Energetisch betrachtet stellt die Verbrennung im Kalzinator eine Wärmequelle dar und die Kalzination eine Wärmesenke. Eine effiziente Prozessführung weist sich prinzipiell dadurch aus, dass sich die Quelle in örtlicher Nähe zur Senke befindet, damit keine Verluste durch Wärmeabstrahlung auftreten, sondern die freigesetzte Brennstoffenergie möglichst vollständig in Entsäurung des Mehls umgesetzt wird. Falls kein grobstückiger Brennstoff zum Einsatz kommen soll, ist dies durch geeignete Einbringung der jeweils möglichst feinpulvrig ­aufbereiteten Massenströme zu bewerkstelligen. Je besser es gelingt, den Brennstoff und das Mehl in örtliche Nähe zu einander zu bringen, desto geringer werden die auftretenden Temperaturspitzen ausgeprägt, desto gleichmäßiger wird die Vorentsäurung und in der Folge auch der Ofengang sein. Durch geeignete konstruktive Gestaltungsmaßnahmen kann ein Kalzinator in diesem Sinne optimiert werden.

3 Besondere Herausforderung durch
grobstückige Brennstoffe

Aufgrund der Kostenvorteile beim Einsatz von grobstückigen Sekundärbrennstoffen werden zunehmend Brennstoffe wie zum Beispiel Reifenschnitzel, Produktionsrückstände oder ­bio­-gene Reststoffe eingesetzt. Das grundsätzliche Dilemma für
die Gestaltung von Kalzinatoren besteht in diesen Fällen darin, dass zum Zünden und Ausbrennen dieser Sekundärbrennstoffe im Allgemeinen die als Wärmesenke wirkende Kalzinationsreaktion örtlich und zeitlich in genügendem Maße von der Brennstoffoxidation ferngehalten werden muss, um den Ausbrand der oft schwer zündbaren Sekundärbrennstoffe sicher zu stellen. In diesen Fällen ist also eine Trennung von Wärmequelle und Wärmesenke zwingend notwendig. Ein gutes Beispiel für diese Problemlage liefern die in jüngster Zeit oft installierten Brennkammern zur Verbrennung von stückigen Brennstoffen. Bild 1 zeigt eine schematische Darstellung einer solchen Brennkammer, deren prinzipielle Gestaltung von allen namhaften Anbietern auffällig ähnlich ausgeführt wird.

In diesen Brennkammern wird im oberen Bereich des zylindrischen Kernbereiches eine Zone geschaffen, in der der Brennstoff mit möglichst viel Sauerstoff bei möglichst hoher Temperatur zünden kann. Die Anwesenheit von zu entsäuerndem Mehl in dieser Hochtemperaturzone ist wegen des endothermen Charakters der Entsäurung hier zu vermeiden, damit auch ein schwer zündbarer Brennstoff in einer solchen Brennkammer eingesetzt werden kann. Die Erzeugung einer offenen Flamme in dieser Zone ist erwünscht. Zugleich muss aber die Wandung der Brennkammer vor den sich einstellenden hohen Temperaturen geschützt werden, weshalb diese mit Hilfe eines Mehlschleiers von der Flammenstrahlung abgeschirmt wird. Der Mehlschleier wird durch meist mehrere tangential eintretende Tertiärluftströme erzeugt, in die zuvor das Mehl aufgegeben worden ist. In solch einer Brennkammer wird also das Prinzip der möglichst innigen Nähe von Wärmequelle und Wärmesenke nicht realisiert. Es liegt dann auf der Hand, dass die Entsäurung des Mehls sich heterogener gestaltet, da die einzelnen Partikel einem unterschiedlichen Strahlungs- und Wärmeeinfluss unterzogen werden. Um die Vorentsäurung dennoch auf dem erforderlichen Niveau sicher zu stellen, werden diese Brennkammern oft mit erhöhter Temperatur betrieben, was andererseits mit Problemen mit lokalen Überhitzungen verbunden sein kann.

Somit stellt sich die Frage, wie die zwei gegenläufigen Forderungen – sicherer Ausbrand einerseits und gleichmäßige Kalzination andererseits – im Kalzinator effizient vereint werden können. Die Aufgabe besteht in diesen Fällen darin, dass die Wärme von der zunächst stattfindenden Brennstoffoxidation zum zu kalzinierenden Mehl gebracht werden muss. Dabei spielen naturgemäß Strömungs- und Mischungsvorgänge die entscheidende Rolle. Deshalb befasst sich die verfahrenstechnische Optimierung  mit der abgestimmten Gestaltung der Konzentrations- und Temperaturfelder im Kalzinator. Dabei muss der Umsatz des Brennstoffes nicht notwendigerweise sofort als vollständige Oxidation stattfinden. Denkbar – und auch industriell realisiert – sind auch Prozesse, in denen der Brennstoff zunächst unterstöchiometrisch umgesetzt wird, um entweder zeitlich nachfolgend oder örtlich getrennt aufoxidiert zu werden.

Nachdem in den letzten Jahren viele Erfahrungen mit verschiedensten Kalzinatorprozessen gesammelt werden konnten, wird zunehmend klarer, das die Prozessführung innerhalb der äußerlich oftmals ähnlich anmutenden Kalzinatoren nur selten tatsächlich gleich verläuft. Es greift die Erkenntnis um sich, dass anlagen- und anwendungsspezifische Einflüsse stärker als vermutet die Prozessführung beeinflussen. Dies hat seine Ursache darin, dass die Strömungs- und Umsatzverhältnisse auch in äußerlich scheinbar ähnlichen Kalzinatoren unerwartet stark voneinander differieren. Ändert sich beispielsweise der Impuls der eintretenden Sekundärbrennstoffe dadurch, dass diese mit einem anderen Injektionssystem in den Kalzinator eingebracht werden, oder vielleicht eine Schleusenklappe einige Meter höher eingebaut ist, so ändert sich auch die Suspendierung des Brennstoffes in dem Gasstrom und damit die gesamten Umsatzverhältnisse. In der Folge kann sich das Temperaturfeld örtlich verschieben und damit die Kalzination negativ beeinflussen. Solcherlei Abweichungen vom optimalen Auslegungspunkt des Kalzinators können mit Hilfe von mathematisch-physikalischen Modellierungen, wie z.  B. CFD (Computational Fluid Dynamics), nachgewiesen werden. Durch Analyse der Strömungs- und Konzentrationsfelder können geeignete Maßnahmen erkannt werden und in zielführende Modifikationen umgesetzt werden.

4 Optimierung eines Kalzinators zur
Verbrennung von Reifenschnitzeln

Die Verbrennung von grobstückigen Brennstoffen im Kalzinator stellt derzeit eine der größten Herausforderung für die Ingenieure dar. Zur optimierten Verbrennung von Reifenschnitzeln in einem Rohrkalzinator ist deshalb eine CFD-gestützte Prozessgestaltung durchgeführt worden. Die Aufgabenstellung bestand darin, die bestgeeignete Aufgabestelle, sowie die maximal mögliche Aufgabemenge und die dementsprechenden optimalen Betriebsparameter errechnet werden.

Der für diese Berechnung zu treibende Modellierungs- und Simulationsaufwand ist nicht unbeträchtlich. Für die Berechnung von Kalzinationsprozessen in thermischen Linien eines Zementwerkes sind üblicherweise die mit kommerziellen CFD-Codes gelieferten Möglichkeiten zu erweitern, um beispielsweise die Kalzinationsreaktion und den Wärmeaustausch durch Strahlung berechnen zu können. Für die Verbrennung von grobstückigen, nicht-sphärischen Brennstoffpartikeln müssen nun darüberhinaus noch weitere Modellerweiterungen implementiert werden.

Bild 2 zeigt den schematischen Ablauf des Modells zur Berechnung der Reifenschnitzelverbrennung. Wie üblich vollzieht sich auch hier die Oxidation in zwei Schritten. Mit zunehmender Partikeltemperatur erfolgt zunächst die ­Pyrolyse, bei der die verschiedenen Kohlenwasserstoffe aus dem Partikel ausgasen. Deren Oxidation an der Oberfläche stellt die Wärmequelle dar, die ihrerseits die Pyrolyse wiederum antreibt. Im zweiten Schritt erfolgt der Koksabbrand, bei dem die im Pyrolysekoks verbliebenen Bestandteile langsamer oxidiert werden. Das Zeitverhalten dieser beiden Schritte ist charakteristisch für die jeweiligen Brennstoffe, bzw. deren Bestandteile und natürlich auch abhängig von der für die Reaktion zur Verfügung stehenden spezifischen Oberfläche, also letztlich der Partikelgröße.

Das  pneumatische Verhalten der Reifenschnitzel in der Strömung zeichnet sich dadurch aus, dass die einzelnen Partikel unterschiedliche Orientierungen einnehmen können, was wiederum Auswirkungen auf deren Umströmung, uns somit letztlich auf den Wärmetransport in die Partikel und deren Pyrolyseverhalten hat. Auch ist aus der Literatur bekannt, dass es bei einem gewissen Abbrandfortschritt zu einer Sprengung des Partikels kommt, die ebenfalls in der Modellierung berücksichtigt werden muss.

Der existierende Prozess wird in einem Inline-Rohrkalzinator (Bild 3) mit gestufter Brennstoff-, Mehl- und Tertiärluftzuführung durchgeführt. Als Brennstoffe werden Kohle, Fluff und MBM sowohl im Ofenbrenner als auch im Kalzinator eingesetzt. Die Tabelle 1 stellt die wesentlichen Volumen- und Massenströme des Prozesses zusammen.

Ziel der Untersuchung war die Identifikation der bestgeeigneten Eingabestelle für die Reifenschnitzel, deren maximal  mögliche Einsatzmenge bei vorgegebener Reifenschnitzelgröße und die Berechnung der dazu einzustellenden Prozess­parameter. Die Reifenschnitzel wurden in 8 Größenklassen von 5 bis 50 mm Kantenlänge (in 2 Dimensionen) und jeweils
10 mm Höhe in die Berechnung eingeführt. Der untere Heizwert wurde mit 7450 kcal/kg angesetzt. Tabelle 2 zeigt die Partikelgrößenverteilung der Reifenschnitzel.

Das Kriterium der maximal einsetzbaren Aufgabemenge wurde definiert durch drei Bedingungen:

1.  Es darf kein Schnitzel in die Ofeneinlaufkammer durchfallen.

2.  Die CO-Konzentration am Kalzinatoraustritt sollte kleiner als 100 ppm sein und der Sauerstoffanteil in der üblichen Größenordnung von ca. 4  %.

3.  Die Schnitzel der größten Fraktion sollen nach Verlassen des Kalzinators zu 75  % verbrannt sein.

Da bislang noch keine einheitlichen Vorgaben bezüglich eines allgemein tolerierbaren Restausbrands existieren, ist das dritte Kriterium sicherlich diskutabel. Das hier gewählte Limit beruht auf der Annahme, dass der Koks bei so weit fortgeschrittenem Ausbrand keine klebrige Oberfläche mehr aufweist.

Für die Berechnung sind folgende Modellvorschriften verwendet worden:

– stationäres Strömungsfeld

– Turbulenzmodell: Realizable k-e Modell

– Wärmetransport durch Konvektion und durch Strahlung

– Stofftransport für N₂, O₂, CO₂, CO, H₂O, Flüchtige der Kohle und der Reifenschnitzel

– Finite rate / eddy-dissipation Modell für volumetrische Gasphasenreaktionen

– Lagrangian particle tracking (getrennt für Rohmehl, Kohle und Reifenschnitzel sowie deren Koksprodukte

– Impuls-, Energie- und Stofftransportkopplung zwischen ­allen Partikeln und der Gasphase

– proprietäre Modelle für Schleppkräfte und Wärmetransport zwischen Reifenschnitzel und Gasphase

– Standard Verbrennungsmodell mit zusätzlicher Berücksichtung der CO-Bildung im Gas sowie des Koksabbrandes

Für die Wahl des Eintragsortes der Reifenschnitzel ist entscheidend, dass diese entweder durch eine genügend hohe Gasgeschwindigkeit sofort angehoben werden, oder dass sie, falls sie nicht zuverlässig angehoben werden sollten, an einer weiter stromauf gelegenen Stelle vom Gasstrom suspendiert werden ohne letztendlich in die Ofeneinlaufkammer zu fallen.

Bild 4 zeigt das Geschwindigkeits- und Temperaturprofil im Kalzinator. Man erkennt die lokalen Zonen hoher Geschwindigkeit, die durch die Einbringung der Brennstoffe und deren einsetzende Verbrennung entstehen. Ebenfalls wird die Temperaturabsenkung stromabwärts der Mehleinbringung sichtbar, sowie das Komprimieren der Strömung auf der gegenüberliegenden Seite. Somit ergibt sich an der ausgewiesenen Stelle eine günstige Position zur Einbringung der Reifenschnitzel, da diese Stelle sowohl durch hohe Strömungsgeschwindigkeiten von bis zu 60 m/s zur Vermeidung des Durchfallens der Schnitzel gekennzeichnet ist. Ebenfalls wirken sich die hohen Temperaturen zur Unterstützung eines spontanen Zündens der Schnitzel an dieser Stelle günstig aus.

Nach der Identifikation der geeigneten Einbringungsstelle für die Reifenschnitzel ist in einem ersten Schritt 20  % des Brennstoffenergiebedarfes der gesamten Ofenlinie durch Reifenschnitze substituiert worden, was in diesem Fall einem Massenstrom von 1050 kg/h entsprach. Bild 5 zeigt die sich ergebenden Partikelbahnen, die belegen, dass die Reifenschnitzel nicht durchfallen. Vereinzelte Partikel durchströmen den Kalzinator nicht sofort gleichförmig, sondern verweilen aufgrund ihres momentanen Gewichts und der lokalen Strömungsverhältnisses zwar in aufgeweiteten Abschnitten des Kalzinators, werden dann aber aufgrund der mit der fortschreitenden Oxidation abnehmenden Masse schließlich zum Austrag hin ausgetragen. Ebenfalls ist ersichtlich, wie insbesondere der oberere Tertiärlufteintrag das Strömungsmuster beeinträchtigt, wobei der dort stattfindende Koksausbrand durch den zusätzlichen Sauerstoff unterstützt wird.

Da die Verbrennungsluftströme bei der Einführung der Reifenschnitzel in den Prozess nicht verändert worden sind, ergibt sich die Frage, ob die Verbrennung vollständig erfolgen kann und eine zur Sicherstellung der Produktqualität und der Betriebssicherheit genügend geringe CO-Konzentration verbleibt. Bild 6 zeigt die CO-Verteilung innerhalb des Kalzinators bei Einsatz der Reifenschnitzel. Deutlich erkennbar sind die Bereiche hoher CO-Konzentration vor der Einmischung der oberen Tertiärluft. Am Austritt aus dem Kalzinator ergibt sich über den Querschnitt gemittelt ein Wert von 80 ppm.
Bild 7 zeigt die sich so ergebende Sauerstoffverteilung im Kalzinator.

Mit einem über die Querschnittsfläche gemittelten Sauerstoff-Wert von 1,3  % ist nicht davon auszugehen, dass dieser Prozess unter Berücksichtigung der betriebsüblichen Schwankungen dauerhaft stabil und unproblematisch betrieben werden kann. Desweiteren ist davon auszugehen, dass bei derart geringem Sauerstoff-Überschuss insbesondere die größeren Reifenschnitzel nicht in genügendem Maße ausbrennen, und damit weitere Betriebsprobleme kreieren können. Tabelle 3 zeigt die Ausbrandraten in Abhängigkeit von der ursprünglichen Partikelgröße für die Fraktionen der kleinsten, der größten und der mittleren Partikel. Aus den Daten geht hervor, dass zwar die Verbrennung der flüchtigen Bestandteile aller Größenfraktionen bei Verlassen des Kalzinators vollendet ist, der Koksausbrand der größeren Teile allerdings nur unvollständig ist.

Zur Verbesserung der Prozessführung wurde daher vorgeschlagen, die Tertärluftmenge zu erhöhen, bis der Koksausbrand und der Restsauerstoff günstigere Werte annehmen. Bild 8 zeigt die Sauerstoff- und CO-Konzentrationen nach Erhöhung der Tertiärluftmenge um 40  %.

Wie aus Tabelle 3 ersichtlich wird, hat die Erhöhung der Tertiärluftmenge die gewünschten Verbesserungen hinsichtlich der Koksausbrandraten erwirkt. Die Partikel der größten Klasse weisen nun einen Koksausbrand von 73  % auf.

5 Zusammenfassung

Die Optimierung von Kalzinatorprozessen steht innerhalb der Zementtechnik im Fokus der Ingenieure, weil dort wirtschaftlich interessante aber kalorisch niederwertige oder nur grobstückige Brennstoffe eingesetzt werden können. Allerdings erfordert der zunehmende Einsatz von preiswerten Sekundärbrennstoffen eine sorgfältige Abstimmung der beiden parallel ablaufenden Prozesse der Verbrennung und der Entsäurung. Günstige Prozessbedingungen können unter anderem mit Hilfe von mathematisch-physikalischen Modelluntersuchungen (CFD) ermittelt und gestaltet werden. Dabei sind den Besonderheiten sowohl des Zementherstellungsprozesses als auch der speziellen Brennstoffeigenschaften Rechnung zu tragen. Insbesondere bei den typischen hohen Beladungen nehmen die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Feststoffe großen Einfluss auf den Prozess. Die Fortschritte der letzten Jahre im Bereich der Strömungsberechnung lassen einen effektiven Einsatz dieser Methode zu und erlauben somit schnellere und preiswertere Prozessoptimierungen, da die kostenintensiven Umbaumaßnahmen an der Produktionsanlage durch Voraboptimierungen am Computer reduziert werden können.