Korrelation zwischen der Zersetzung von Brennstoffen und der Konstruktion von Kalzinatoren

1 Einleitung

Der Kalzinator gehört zu den wichtigsten Ausrüstungen in Anlagen mit Vorkalzination [1]. Er hat einen direkten Einfluss auf die Leistung und den Wärmeverbrauch der Verbrennungsanlage. Deshalb ist eine Untersuchung der Zersetzung des Brennstoffs für die Auslegung des Kalzinators sehr hilfreich. Um jedoch die Konstruktion von Kalzinatoren zu verbessern, sind umfangreiche Forschungsarbeiten erforderlich, insbesondere was die Korrelation zwischen den Kenndaten der Verbrennung von Brennstoff und die Leistung von Kalzinatoren unterschiedlicher Bauart betrifft.

Für den vorliegenden Beitrag wurde ein Versuch zur Verbrennung von Kohle in einer Thermowaage durchgeführt. Zur Untersuchung der Bauart unterschiedlicher Kalzinatoren wurden eine experimentelle Studie und eine numerische Strömungssimulation durchgeführt. Nachdem man die Korrelation zwischen den Kenndaten der Verbrennung von Brennstoffen und der Bauart der Kalzinatoren festgestellt hatte, konnten die Entwicklung und Konstruktion von Kalzinatoren besser gelenkt und die Zuverlässigkeit und wirtschaftliche Leistungsfähigkeit der Kalzinatoren verbessert werden.

2 Experimentelle Untersuchung von Kenndaten zur Verbrennung von Brennstoffen

Der in der Zementindustrie am meisten verwendete Brennstoff ist Kohle. Generell können in Untersuchungen zur Verbrennung von Kohlenstaub vier Gruppen von Eigenschaften unterschieden werden [2-5]: die Pyrolyse, die Zündfähigkeit,  der Ausbrand und die Verschlackung. Von diesen sind die Zünd- und Ausbrenneigenschaften des Kohlenstaubs in der Zementindustrie am wichtigsten, die im Folgenden diskutiert werden sollen.

Seit mehr als einem Jahrhundert wird die Theorie zur Zündung von Kohlenstaub sehr unterschiedlich diskutiert. In Forschungsarbeiten wurde nachgewiesen [6-7], dass die Zündung von Kohlenstaub sich von der reinen homogenen oder heterogenen Zündung unterscheidet. Die sogenannte homogene Zündung bedeutet, dass eine Zündung erfolgt, wenn die flüchtigen Bestandteile pyrolysieren und sich bis zu einem bestimmten Ausmaß an sammeln. Die sogenannte heterogene Zündung bedeutet dass eine Zündung stattfindet, wenn Sauerstoff sich auf der Oberfläche von Koks ausbreitet und direkt mit den Teilchen reagiert. Die Ergebnisse anderer Forscher bestätigen, dass gasreiche Kohle sich gut für eine homogene Zündung eignet [8]. Gasarme Kohle neigt dagegen zu einer heterogene Zündung.

Die Schwierigkeit der Entzündung von Kohlenstaub hängt von dessen Zündtemperatur ab. Je höher die Zündtemperatur des Kohlenstaubs ist, umso schwieriger ist es diesen zu entzünden. Übrigens ist die Zündtemperatur anscheinend proportional zum Gehalt an flüchtigen Substanzen in der Kohle. Die Zündtemperatur von bituminöser Kohle mit V_ad  >  25  % beträgt etwa 500 – 600 °C. Sie ist leicht entzündbar und stabil. Bei Anthrazit mit einem geringen Gehalt an flüchtigen Bestandteilen von V_ad  > 15  % liegt die Zündtemperatur bei etwa 600 –700 °C. Er ist relativ schwer entzündbar und stabil zu halten. Die gasarme Kohle bewegt sich in einem extrem schwierigen Stabilitätsbereich mit Zündtemperaturen von 700 – 800 °C. Es ist einerseits schwierig sie zu entzünden und andererseits nicht leicht, sie stabil zu halten. Normalerweise benötigt Anthrazit eine höhere Zündtemperatur, besonders wenn die von der Verbrennung der flüchtigen Bestandteile ausgesandte Wärme nicht ausreicht, den Kohlenstaub mit einer Temperatur zu verbrennen, die für die Entzündung von Koks erforderlich ist. Die Entzündung und stabile Verbrennung von Anthrazit ist noch schwieriger.

Für die Messung der Zündtemperatur des Kohlenstaubs mit unterschiedlichem Gehalt an flüchtigen Bestandteilen wurde der Thermoanalysator TGS-2 eingesetzt. Die Ergebnisse werden in Bild 1 gezeigt. Mit der Abnahme des Gehalts an flüchtigen Substanzen steigt die Zündtemperatur des Kohlenstaubs. Speziell die Zündtemperatur von Anthrazit mit V_ad  >  5  % liegt ungefähr 200 °C höher als bei bituminöser Kohle (V_ad  >  25  %), was ein weiterer Beweis für die höhere Zündtemperatur und schlechtere Zündleistung gasarmer Kohle ist. Bei Anthrazit sieht das noch schlechter aus.

Die Ausbrenneigenschaften von Kohlenstaub beziehen sich hauptsächlich auf Steinkohlenkoks [9], der die gesamte Verbrennungsgeschwindigkeit des Kohlenstaubs steuert. Die Verbrennung von Halbkoks wird durch eine chemische Reaktion und die Diffusion des Gasstroms gesteuert. Normalerweise wird die Konstante K der gesamten Verbrennungsgeschwindigkeit durch folgende Gleichung ausgedrückt:

K = 1

1 1(1)

+

Ks Kd

Ks stellt die Parameter der chemischen Reaktionskinetik dar;

Kd bedeutet die Konstante der Diffusionsgeschwindigkeit.

Somit hängen die Ausbrenneigenschaften von Kohle hauptsächlich von der Verbrennung der in der Kohle enthaltenen Teilchen ab, deren Ausbrandzeit durch die Reaktionsart, die Reaktionstemperatur, die Art der Kohle, die Feinheit der Teilchen, den Luftüberschuss usw. beeinflusst wird. Innerhalb eines hohen Temperaturbereichs ist die Diffusion eine Regelgröße für den Verbrennungsprozess. Bezüglich der Reaktionsgeschwindigkeit der Verbrennung gibt es zwischen gasreicher and gasarmer Kohle keinen großen Unterschied. Im mittleren Temperaturbereich wird die Verbrennung hauptsächlich durch die chemische Reaktion gesteuert, und der Unterschied zwischen der Reaktionsgeschwindigkeit bei gasreicher und gasarmer Kohle ist ganz offensichtlich. Der Ausbrandversuch auf dem Thermoanalysator TGS-2 zeigt, dass die Ausbrennzeit von Anthrazit 1,5- bis 1,6-mal größer ist als die bituminöser Kohle. Die Ergebnisse sind Tabelle 1 enthalten.

Anmerkung: t₉₈ bezeichnet die Zeit, die benötigt wird, um 98  % der Kohle auszubrennen. Wenn man annimmt, dass t₉₈ der bituminösen Kohle gleich 1 gesetzt wird, ist t₉₈ der spezifischen Kohle der relative Wert der Zeit des Ausbrands von 98  % der spezifischen Kohle und der bituminösen Kohle.

3 Untersuchung der Korrelation von Kenndaten der Verbrennung von Kohlenstaub und Anlagen zur Vorkalzinierung

Die Forschungsergebnisse (Bild 1, Tabelle1) zeigen, dass es einen großen Unterschied zwischen der Ausbrandzeit von bituminöser Kohle und Anthrazit bei gleichen Bedingungen gibt. Die Ausbrandzeit von Anthrazit ist immer einige Male größer als die bituminöser Kohle. Daher muss bei der Konstruktion des Kalzinators ein schwierig zu verbrennender Brennstoff besonders berücksichtigt werden. Um eine Zone hoher Temperaturen zu schaffen und die Verbrennung des Brennstoffs zu erleichtern, besteht eine Lösung darin, die Kalzinatorkammer zu vergrößern. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Material an unterschiedlichen Punkten im Kalzinator aufzugeben.

Unter Berücksichtigung der Korrelation zwischen den Kenndaten der Verbrennung von Kohlenstaub und Anlagen zur Vorkalzinierung hat das TCDRI (Konstruktions- und Forschungsinstitut der Zementindustrie in Tianjin) unterschiedliche Typen von Kalzinatoren [10] für den Einsatz unterschiedlicher Brennstoffe entwickelt (Bild 2). Alle diese Kalzinatoren basieren auf dem Kalzinator mit Doppelrohrfeuerung (TDF) vom TCDRI. Um die Zuverlässigkeit und Anpassungsfähigkeit des Kalzinators zu garantieren, wurden die folgenden drei Typen von Kalzinatoren entwickelt. Der Kalzinator mit der Bezeichnung TSD stellt eine Kombination aus dem TDF und einer Vorbrennkammer mit innerem Drehimpuls dar. Der Kalzinator TWD ist eine Kombination aus TDF und einer Wirbelvorbrennkammer. Der Kalzinator TTF ist eine Feuerungsanlage mit drei Rohren für hohe Temperaturbereiche.

Um die Kenndaten dieser vier Kalzinatorentypen kennen zu lernen, speziell was die Temperaturverteilung im Kalzinator betrifft, wurden die Materialbewegung und leistungsbezogenen Parameter in einem durchsichtigen Modell aus Plexiglas simuliert. So wurde zum Beispiel die numerische Strömungssimulation mit Anthrazit durchgeführt.

3.1.1 Erprobung und Untersuchung von Kalzinatoren

Zum Beispiel für den Kalzinator TWD zeigt Bild 3 ein Test­modell in kaltem Zustand. Das Verhältnis zwischen Widerstandsverhalten und Verweilzeit von Feststoffen zu Gas wird in Tabelle 2 bzw. Bild 4 gezeigt.

Die Widerstandskennwerte gehören zu den wichtigsten Parametern eines Kalzinators. Sie haben einen Bezug zum Druckverlust im System, zum Energieverbrauch des Abgaslüfters, zum Gasstrom in der Anlage sowie zur Anpassung an eine Produktionsverbesserung. Normalerweise wird eine Bewertung nach dem Widerstandsfaktor (Tabelle 2) vorgenommen. Es ist bekannt, dass die Kalzinatoren vom Typ TTF und TDF relativ gute Widerstandseigenschaften aufweisen, d.h. sie haben einen geringen Widerstand.

Das Verhältnis der Verweilzeit von Feststoff zu Gas (tm/tg) gehört ebenfalls zu den wesentlichen Parametern eines Kalzinators. Das bedeutet normalerweise das Verhältnis der durchschnittlichen Verweilzeit von Feststoffen zu Gas im Kalzinator. Je größer das Verhältnis tm/tg ist, je länger dauert die Verweilzeit des Materials im Kalzinator unter gleichen Bedingungen, was für die Verbrennung von Kohlenstaub und die Kalzinierung von Rohmehl sehr gut ist. Bild 4 zeigt, dass der Kalzinator TWD das beste Verweilzeitverhältnis von Feststoff zu Gas aufweist, dann folgt der TTF auf dem zweiten Platz, und schließlich kommen dann die Kalzinatoren TDF und TSD.

3.1.2 Untersuchung von Kalzinatoren mit Hilfe der numerischen Strömungssimulation (CFD)

Untersuchungen von Kalzinatoren mit Hilfe der CFD wurden in großem Umfang durchgeführt. Zum Beispiel haben Kolyfetis E et al. [11] das Modell der Pfropfenströmung eingesetzt, um die Verbrennung von Kohlenstaub und den Zersetzungsprozess von Calciumcarbonat im SLC-Kalzinator zu simulieren. Auch Ye X C et al. haben ähnliche Untersuchungen am Kalzinator durchgeführt [12-15]. Die physikalischen und chemischen Prozesse im Kalzinator sind jedoch sehr kompliziert, was auf die Kopplung der Verbrennung von Kohlenstaub und die Zersetzung von Calciumcarbonat sowie spezifische Anforderungen an die Gas- und Materialbewegungen zurückzuführen ist.

Die nachstehenden Gleichungen gelten für die kinetischen Modelle 16-17] der Verbrennung von Koks und der Zersetzung von Calciumcarbonat im gekoppelten Zustand unter Berücksichtigung der Kenndaten des Kalzinators.

Modell der Verbrennung von Koks:  dM_p = pk_lpd²_pV_OX(2)

  dt

Modell der Zersetzung von Calciumcarbonat:            (3)

1– (1–  a)¹₃ =  k₀ × exp(–  E ) × P_e – P × t

  D_P RT P_e

Entsprechend den unterschiedlichen Arten von Kohle und Rohmehl wurden Untersuchungen durchgeführt, um weitere Parameter der Verbrennungskinetik zu erhalten, um eine Datenbank zu erstellen und gezielte Simulationen durchzuführen. Die Simulationen wurden durchgeführt mit sich jeweils ändernden Aufgabestellen für Rohmehl und Kohlenstaub, physikalischen Parametern des Einlaufs, Abmessungen der unterschiedlichen Kalzinatorteile usw. Entsprechend den Informationen am Auslauf zur  kalzinierten Menge und zum Ausbrand sowie zur Auslauftemperatur ist es in Verbindung mit internen visualisierten Informationen zum Strömungsfeld, Temperaturfeld, Zusammensetzungsfeld sowie zum Verlauf der Teilchenbewegung angebracht, diese Simulationsplattform zu verwenden, um über die Bauform und Abmessungen des Kalzinators für eine optimierte Kombination von Kohleverbrennung und Zersetzung von Calciumcarbonat zu entscheiden. Mit dem gleichen Rohmehl und Kohlenstaub (Tabelle 3 und 4) wurde die numerische Strömungssimulation an unterschiedlichen Kalzinatortypen (Bild 2 und Tabelle 5) durchgeführt. Bild 5 zeigt die Temperaturfeldverteilung.

Aus den Ergebnissen der CFD geht hervor, dass die Anpassungsfähigkeit an die Kohle bei diesen vier Kalzinatortypen unterschiedlich ist. Unter dem Aspekt der Gesamtleistung weist der Kalzinator TTF mit einer Feuerung mit drei Rohren die beste Anpassungsfähigkeit an die unterschiedlichen Brennstoffe auf und kann daher empfohlen werden.

Wenn man die o.a. Ergebnisse zusammenfasst, so ergibt sich, dass die Temperaturverteilung in dem Kalzinator TDF mit Doppelrohrfeuerung relativ gleichmäßig verläuft bei einer Grundarbeitstemperatur von ca. 900 °C und keiner Zone hoher Temperaturen. Der Kalzinator TDF ist geeignet für das Verbrennen von Brennstoffen mit guten Verbrennungskennwerten. Dazu gehört auch die gasreiche bituminöse Kohle. Der TDF ist nicht geeignet für Brennstoffe, die sich schwer verbrennen lassen. Dazu gehören die gasarme bituminöse Kohle, Anthrazit oder auch Petrolkoks. Die Kalzinatoren vom Typ TWD und TSD besitzen eine Vorverbrennungskammer für höhere Temperaturen. Die schwer zu verbrennenden Brennstoffe, einschließlich Anthrazit, können in der Vorbrennkammer vollständig verbrannt werden. Die Materialverteilung im Kalzinator TSD ist jedoch ziemlich ungleichmäßig. In diesem Kalzinator gibt es stellenweise Zonen hoher Temperatur, wodurch es während der Produktion leicht zur Bildung von Ansatz und Verstopfungen kommen kann. Die Temperatur im Kalzinator TWD ist niedriger und die Verweilzeit des Materials relativ länger. Daher ist dieser Kalzinator für das Verbrennen gasarmer bituminöser Kohle geeignet (V_ad  <  15  %).

Die Widerstandsfaktoren in den Kalzinatoren vom Typ TWD und TSD sind jedoch höher und erzeugen eine hohen Widerstand der Vorkalzinieranlage und damit einen hohen Energieverbrauch der Anlagenlüfter. Andererseits hat der Kalzinator TTF die Kennwerte der Typen TDF und TSD, d.h. die Betriebstemperatur m untersten Teil des Kalzinators kann gut durch die Materialverteilung im Kalzinator gesteuert werden, so dass schwer zu verbrennende Brennstoffe, einschließlich Petrolkoks, Anthrazit usw., gut ausgebrannt werden können. Außerdem weist der Kalzinator TTF einen geringeren Widerstand auf und ist komplett online angeordnet, was die gesamte Vorkal­zinieranlage und ihren Betrieb einfacher gestaltet. Nach der o.  a. Analyse wird die Korrelation zwischen Kenndaten der Brennstoffverbrennung und der Konstruktion des Kalzinators in Bild 6 gezeigt.

Auf der Grundlage der Forschungsergebnisse setzte das TCDRI unterschiedliche Arten von Kalzinatoren bei unterschiedlichen Projekten auf der Grundlage der Unterschiede in der Qualität der Kohle ein. Der beim Zementprojekt Conch Chizhou verwendete Brennstoff ist bituminöse Kohle mit V_ad  >  25  %. Aus diesem Grund setzte das TCDRI für dieses Projekt den TDF Kalzinator mit einer Gasverweilzeit von ca. 3 s ein. Nachdem diese Produktionslinie sechs Jahre in Betrieb ist, läuft sie immer noch gut. Der für das Zementprojekt Guangdong Tapai verwendete Brennstoff ist Anthrazit mit 2 – 5  % V_ad. Daher setzte das TCDRI für diese Linie den Kalzinator vom Typ TSD mit einer tatsächlich gemessenen Flammentemperatur von ~ 1500 °C in der Vorbrennkammer ein, was für Anthrazit einen sehr guten Vorbrenneffekt bewirkt. Nach fünfjährigem Betrieb läuft diese Anlage stabil mit 5600 t/d bei einer projektierten Leistung von 5500 t/d. Alle Parameter erfüllen die projektierten Anforderungen. Der für das China Resources Guangxi Hongshuihe Cement Project (3200 t/d) eingesetzte Brennstoff ist bituminöse Kohle mit V_ad 8 –12  %. Für dieses Projekt setzte das TCDRI den TWD Kalzinator mit einer nachgewiesenen Leistungsfähigkeit ein. Außerdem wird jetzt auch vermehrt der Kalzinator TTF mit einer Feuerungsanlage mit drei Rohren in Zementproduktionslinien eingesetzt, die mit Anthrazit oder bituminöser Kohle als Brennstoff arbeiten. Die Gasverweilzeit beträgt dabei 6 s. Zur Zeit bewährt sich der TTF Kalzinator in den Linien 1 und 2 des China Resources Guangxi Nanning Cement Project und in über zehn weiteren Zementproduktionslinien.

4 Schlussfolgerung

In der Zementindustrie sind die Kenndaten für die Zündung und den Ausbrand des Brennstoffs die wesentlichsten Leistungsparameter, die die Technik und Konstruktion des Kalzinators in der Vorkalzinieranlage beeinflussen. Generell erfordern Brennstoffe mit wenig flüchtigen Bestandteilen eine höhere Zündtemperatur sowie eine längere Ausbrennzeit, und umgekehrt.

Auf Grund ihrer unterschiedlichen Bauart weisen die einzelnen Kalzinatortypen große Unterschiede im Strömungsfeld auf, was dann zu unterschiedlichen Widerstandsfaktoren und Verweilzeiten führt. Von den vier Typen von Kalzinatoren des TCDRI haben der TDF mit Doppelrohrfeuerung und der TTF mit einer Feuerungsanlage mit drei Rohren den relativ geringsten Widerstand. Dagegen haben die Kalzinatoren vom Typ TWD und TSD mit Vorbrennkammer einen höheren Widerstandsfaktor. Der Kalzinator TWD hat das höchste Verweilzeitverhältnis von Feststoffen zu Gasen, an zweiter Stelle kommt der TTD, und dann folgen TDF und TSD.

Die Kenndaten der Verbrennung von Brennstoffen stehen in einem Verhältnis zur Technik und Konstruktion von Kalzinatoren. Für Brennstoffe mit unterschiedlichen Verbrennungseigenschaften sollten unterschiedliche Arten von Kalzinatoren eingesetzt werden, um eine vollständige Verbrennung des Brennstoffs und die wirtschaftliche Zuverlässigkeit der Kalzinieranlage zu gewährleisten. Die Ergebnisse der numerischen Strömungssimulation zeigen, dass der mittlere Teil der Vorbrennkammer des TSD Kalzinators recht hohe Temperaturen aufweist und für die Verbrennung von Petrolkoks und Anthrazit geeignet ist. Der Mittelteil der Vorbrennkammer des TWD Kalzinators weist relativ hohe Temperaturen auf und eignet sich für Brennstoffe mit wenig flüchtigen Substanzen (V_ad  <  15  %). Ohne einen Bereich hoher Temperaturen ist der TDF Kalzinator nicht für das Verbrennen von Brennstoffen mit guten Verbrennungskenndaten geeignet. Dazu gehören Erdgas und gasreiche bituminöse Kohle. Der untere Teil des TTF Kalzinators kann entsprechend der Materialaufgabe eingestellt werden, d.h. dieser Kalzinatortyp ist geeignet für das Verbrennen von Brennstoffen mit unterschiedlichen Verbrennungseigenschaften. Außerdem kann mit dem TTF Kalzinator die Vorkalzinieranlage vereinfacht werden, was ihn zu einem der besseren Kalzinatoren macht.