Neuere Trends bei der Auslegung von Kalzinatoren

1 Einleitung
In den letzten 30 Jah-ren ist die Zementindustrie wesentlich energieeffizienter ge-
worden, was darauf zurückzuführen ist, dass neue Anlagen standardmäßig mit Zyklon-vorwärmern mit Vorkalziniertechnik, mit kurzen Öfen, in denen 35 bis 45  % der gesamten Brennstoffe verbrannt werden, sowie mit mehrstufigen Klinkerkühlern ausgerüstet sind. Weitere Verbesserungen aufgrund des Einsatzes von AFR haben zu Kostenreduzierungen geführt, indem man Wege zur Modernisierung vorhandener Anlagen suchte und neue Werke baute, in denen AFR eingesetzt werden können. Die Schwankungen in der Verfügbarkeit und in den Eigenschaften der AFR haben zu einer Reihe von Kombinationen für die Verwendung dieser „günstigen“ Brennstoffe geführt, als sie verfügbar wurden. Jedoch wurde ihr vollständiges Potenzial noch nicht vollständig erforscht, nicht zuletzt deshalb, weil das Verständnis der Verbrennungsprozesse, Emissionen und der Wechselwirkungen mit mineralischen Reaktionen im Ofen und im Vorkalzinator noch unvollständig ist. Dadurch können immer noch erhöhte Kosten für die Aufbereitung der AFR oder übermäßige Investitionskosten bei einer möglicherweise nicht notwendigen zu großen Auslegung des Kalzinators auftreten. Daher lautet die Zielstellung des vorliegenden Beitrags, die Vorteile des Wissenszuwachses an Informationen zum Mischen, Verbrennen, zur Emission und zur Kalzinierung im Vorkalzinator darzustellen, bevor man sich für Lösungen mit höheren Kosten entschließt, die die erwartete Leistung bringen – oder auch nicht.
 
Detaillierte Messungen und das Durchführen von Experimenten in Zementwerken waren und sind meistens sehr schwierig und unerschwinglich teuer, da Ofenstörungen und kurze Auszeiten es dem Verfahrenstechniker nicht erlauben, viele mögliche Veränderungen vorzunehmen und zu untersuchen. Daher haben sich die Werkzeuge und Verbesserungen der Auslegung von Ofen und Vorkalzinator und anderer Anlagen, in denen Verbrennungen stattfinden, nur langsam entwickelt. Zunächst wurden am Anfang des 20. Jahrhunderts Modelle auf der Basis von Wärme und Masse verwendet, die häufig auf empirischen Korrelationen beruhten. In den 50er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts wurden vermehrt physikalische Modelle des kalten Flusses als Konstruktionshilfe eingesetzt. Eine höhere Teilchenbelastung machte es schwierig, in den Vorkalzinatoren zuverlässig Gasproben zu entnehmen sowie die Temperatur und Geschwindigkeit zu messen. Jedoch auch wenn Daten gesammelt wurden, umfassten die Ergebnisse nur das qualitative Fließdiagramm ohne die Quantifizierung von Temperatur, Gas/Teilchen und Emissionen. 
Bei einer modernen Analyse von Vorkalzinator-/Ofenanlagen würde man eine Visualisierung der Wirkung einer Veränderung unter Verbrennungsbedingungen eindeutig begrüßen, bevor man diese in die Tat umsetzt, insbesondere, wenn komplexe Kombinationen alternativer Brennstoffe und Rohmaterialien eingesetzt werden. Daher ist es wünschenswert, anstelle von teuren und dennoch begrenzten Experimenten detaillierte Verbrennungs- und Mineralstoffgleichungen mit einer hinreichenden Genauigkeit zu lösen, um die Trajektorien der Fest- und Gasphase zu identifizieren. Dadurch würden potenzielle Bereiche von Anbackungen, die Bildung von Schadstoffen, Betriebszustände mit einem geringeren Sauerstoffgehalt und Wege zur Steigerung der Produktion aufgezeigt werden. Das kann nur erreicht werden, wenn Berechnungen der numerischen Strömungssimulation (CFD) zusammen mit mineralischen Reaktionen durchgeführt werden. Eine vor Kurzem entwickelte mineralstoffinteraktive CFD-Methode, die ­MI-CFD,
wurde nach gründlicher Validierung von Daten aus dem Labor und aus der Industrie bei mehr als 60 Vorkalzinatoren angewendet. Die Einzelheiten der MI-CFD-Methode werden an anderer Stelle erläutert [1-8]. Jedoch ist es auch wichtig, die von der Anlage erforderlichen Informationen zu verstehen, um ein MI-CFD-Modell für einen Vorkalzinator zu schaffen, wie nachstehend kurz zusammengefasst wird.
 
2    Eingabe von Anlagendaten
für MI-CFD-Berechnungen
Beispielsweise würde eine typische Untersuchung einer Fallstudie für einen Vorkalzinator mit der Anfrage an das Werk für folgende Informationen beginnen:
 
(1)    Detailzeichnungen vom Steigrohr und Vorkalzinator mit allen Ein- und Ausläufen einschließlich der Anordnung der Kohle- bzw. Petrolkoksbrenner, der Aufgabeschurren für Rohmehl, der Spritzwasserbleche, der Schurre für Brennstoffe aus Müll usw.; 
(2)    Chemische Zusammensetzung der Brennstoffe ­Kohle, ­Petrolkoks und Müll, Teilchen- bzw. Schnitzelgrößen­verteilung, Aufgabemengen für den Brenner, Durchfluss­menge der Luft für den Brennstofftransport und entsprechende Temperaturen;
(3)    Korngrößenverteilung des Heißmehls, Aufgabemenge an jeder Eindüsungsstelle und Analyse des Heißmehls an den Eintrittsstellen in den Kalzinator und am Kalzinatorauslauf;
(4)    Detaillierte Abmessungen und Ausrichtung der Brenner;
(5)    Durchflussmenge und Temperatur der Tertiärluft an jeder Eindüsungsstelle;
(6)    Zusammensetzung der Verbrennungsgase am Ofenein- und -auslauf (d.  h. O2, CO, NOx, CO2), Temperatur und geschätzte Staubbeladung, Brennstoffaufgabemenge(n) am Ofenhauptbrenner, Luftstrom und entsprechende Temperaturen;
(7)    Daten für den Auslauf des Vorkalzinators: Temperatur, ­Sauerstoff, Menge des verkohlten Rückstands beim Kohle­ausbrand, Grad der Kalzinierung des heißen Rohmehls, Druckabfall zwischen Ofeneinlauf und Vorkalzinatorauslauf.
                         
Die meisten Prozessdaten sind in modernen PIMS (Produktinformationssysteme) und Labors leicht zugänglich, jedoch muss extrem darauf geachtet werden, dass abgesichert wird, dass genaue Zeichnungen nach dem neuesten Stand zur Verfügung gestellt werden.
 
3    Einsatz von MI-CFD
Als ein Beispiel der Anwendung der MI-CFD-Methode zeigt Bild 1 die Auswirkung des Standorts und Impulses des Brenners auf den endgültigen Ausbrand der Kohlepartikel in Abhängigkeit von ihren Bahnen durch die sauerstoffreichen und -armen Bereiche eines Vorkalzinators. Der Vorkalzinator war ursprünglich von gasförmigem Brennstoff auf die Feuerung mit Kohle umgestellt worden. Der Ausbrand der Partikel, die sich in den Bereichen mit einer höheren Sauerstoffkonzentration bewegen, ist deutlich höher.
 
Aus dem Bild wird klar ersichtlich, dass die Tertiärluft mit einem höheren Sauerstoffgehalt sich nicht vollständig bis zum Kalzinatorauslauf mit den heißeren Ofengasen, die einen geringeren Sauerstoffgehalt haben, mischt. Die Verweilzeit beträgt weniger als zwei Sekunden. Der Kalzinatorauslauf auf der gegen­überliegenden Seite der Tertiärluft trägt auch durch das „Kurzschließen“ eines Teils der Tertiärluft zur Strömungsschichtung bei. Die Tertiärluft verlässt den Kalzinator, ohne sich mit den sauerstoffarmen Brennstoffteilchen zu vermischen (Bild 2). Die Verweilzeit der Kohle- und Mehlpartikel beträgt nur bis zu
1,5 Sekunden mit einem Ausbrennen der Partikel bzw. Kalzinierungsgraden des Heißmehls von 82  % bzw. 88  %.
Die Lieferer schlugen eine Verbesserung der Konstruktion vor, d.  h., das Steigrohr über die Tertiärluftleitung unterhalb des oberen Kompensators des Kalzinators anzuheben (Bild 3). Es wurde vorhergesagt, dass diese Veränderung die Sauerstoffdiffusion in den Steigrohrgasen leicht verbessern würde. Die Vermischung wird aber weiterhin bis kurz vor den Kalzinatorauslauf verzögert. Somit ist das nicht die für einen besseren Ausbrand benötigte Lösung. Um das Kalzinatorpotenzial voll zu nutzen, müssen entweder Veränderungen an der Konfiguration der Tertiärluftleitung und/oder der Position des Kalzinatorauslaufs bzw. eine Umsetzung oder Verstärkung des Brenners untersucht werden. Es ist jedoch schwierig, die beste Kombination entweder durch Anlagenversuche zu finden, da einige der Änderungen sehr teuer werden würden und nicht während eines einzigen Stillstands realisierbar wären, oder durch einfache Berechnungen zu erreichen, da komplexe, nicht lineare Variable nicht entkoppelt werden können und jeder diesbezügliche Versuch unzuverlässig wäre. Daher könnte eine detaillierte MI-CFD-Methode angewendet werden, um die optimal erforderliche(n) Veränderung(en) zu identifizieren.
 
Eine detaillierte Studie, die eine Optimierung des Inputs und der Randbedingungen unter Berücksichtigung der Anzahl der Brenner, einer Aufteilung des Brennstoffs auf die Petrolkoks- und Kohlebrenner, des Brennerimpulses und einer Mehlaufteilung beinhaltet, führte zu einer Verbesserung des Ausbrands der Kohleteilchen bzw.  der Kalzinierung der Rohmehlpartikel von bis zu 93 und 94  % (im Vergleich zu 82  % bzw. 88  % ohne Verbesserung). Es wurde jedoch festgestellt, dass eine intensivere Mischung an der Eintrittsstelle der Tertiärluft erforderlich ist, um die Schichtung des Flusses innerhalb der kurzen Verweilzeit im Kalzinator zu reduzieren. Bild 4 zeigt eine konzeptionelle Darstellung der Tertiärluft mit einer Konfiguration mit entgegengesetztem Strahl bei radialer Verteilung des Sauerstoffs. Bei dieser veränderten Konzeption wird die Tertiärluft in zwei Strahlen aufgeteilt, die sich mit dem Strom des Steigrohrs durch eine Öffnung an drei Kalzinatorwänden vermischen können. Zwei Kohlebrenner sind auf der Achse der Tertiärlufteintrittsstellen angeordnet, wodurch die Petrolkoks- bzw. Kohleteilchen sofort entzündet und die verbrannten Produkte gründlich mit dem Strom des Steigrohrs gemischt werden. Eine Reihe von Simulationen wurden durchgeführt, um die Kohlebrenner so zu konstruieren, dass die Teilchen nicht auf den feuerfesten Wänden auftreffen und in den Strom des Steigrohrs eintreten, ohne Zonen erhöhter Temperatur in der Nähe der feuerfesten Wände zu bilden. Das Rohmehl wurde ausgeglichen, um die Zonen höherer Temperatur schnell abzukühlen. Es wurden wesentliche Verbesserungen beim Ausbrand der Petrolkoksteilchen und beim Grad der Kalzinierung beobachtet. Wenn Änderungen an der Tertiärluftleitung vorgenommen werden, die denen im beschriebenen Fall ähnlich sind, sind bei einem Investitionsaufwand von weniger als 1,5 Mio. € ein Ausbrand von 98  % und eine Kalzination von 95  % zu erreichen.
 
Der erzeugte „Hotspot“ reduzierte auch die Emission von Stickoxiden aufgrund der höheren Reduzierung von im Ofen gebildeten NOx durch CHi-Radikale infolge einer höheren Reduzierung von NOx durch Nachbrennen als Ergebnis höherer lokaler Temperaturen innerhalb der Nachbrennzone. Eine verbesserte Mischung reduzierte auch die Emissionen von CO aufgrund eines höheren Abbaus von im Ofen gebildeten CO und einer geringeren Bildung von CO innerhalb des Kalzinators durch einen früheren Verbrauch der erzeugten flüchtigen Bestandteile und die Beendigung des Ausbrands von verkohlten Rückständen.
 
4    Ansatzbildung und Emissionen von CO
Bild 5 zeigt die Skizze eines LowNOx-Kalzinators, wobei ein In-line-Vorkalzinator an der Nachverbrennung im Steigrohr beteiligt ist. Der Kalzinator wird mit Kohlenstaub und einer Mischung aus Reifenschnitzeln und Windelwürfeln in der ­Tertiärluftleitung und im Steigrohr gefeuert. Reifenschnitzel und Windelwürfel werden dem Steigrohr aufgegeben, während Holzhackschnitzel und Plastikscheiben in der Tertiärluftleitung verbrannt werden. Es wurde jedoch beobachtet, dass ein Teil der Reifenschnitzel und ein kleinerer Teil der Windelwürfel im Steigrohr und in der Tertiärluftleitung nach unten fielen und Verstopfungen verursachten. Das Problem der Verstopfung war in der Tertiärluftleitung wegen des Krümmers am Boden des vertikalen Teils ernsthafter. Mehrere, nicht erfolgreiche Versuche wurden unternommen, um die Anbackung zu verringern, zum Beispiel durch den Bau von Verengungen mit feuerfestem Material, und die Strömung innerhalb des Tertiärluftsteigrohrs zu beschleunigen. Mithilfe der MI-CFD gelang es, den Ursprung des Problems aufzuspüren, nämlich die Aerodynamik an der Verbindung zwischen Steigrohr und Tertiärluftleitung. Durch die horizontale Bühne, die die zwei Leitungen verbindet, entsteht ein Bereich umlaufenden Materials (Bild 6). Auf dieser Bühne setzten sich Feststoffe ab. Mit der Zeit erreichten die Anbackungen eine solche Größe, dass Klumpen davon herunterfielen und besonders die Tertiärluftleitung blockierten. Eine sofortige Abhilfe war die Errichtung eines Prismas aus feuerfestem Material auf der Bühne, das die Verbindungsstelle aerodynamisch beruhigte und die Zone umlaufenden Materials beseitigte (Bild 7). Die Aufgabemengen von Reifen und Windeln konnten problemlos von 30  % auf nahezu 50  % des Wärmeeintrags des Kalzinators erhöht werden. Die MI-CFD-Simulationen haben auch gezeigt, dass es möglich ist, sogar eine größere Menge des Brennstoffs Kohle durch die Aufgabe von Plastik- und Holzhackschnitzeln in die Tertiärluftleitung zu ersetzen.
 
Ein höherer Einsatz von Abfallbrennstoffen führte zu Emis­sionen von CO, die näher an den erlaubten Grenzwerten lagen. Das war hauptsächlich auf die Strömungsschichtung in der oberen Leitung zurückzuführen, die die Tertiärluftleitung und das Steigrohr verbindet (Bild 8). Die obere Leitung tritt dann in den Pyroclon ein, wo eine weitere Vermischung stattfindet. Die dort herrschenden Temperaturen bewegen sich im Bereich von 950 °C, und fallen schnell auf 850 °C ab; und deswegen wird nicht das gesamte gebildete bzw. transportierte CO innerhalb der kurzen Verweilzeit von weniger als einer halben Sekunde oxidiert. Bei diesen Temperaturen verläuft die Oxidation von CO im Allgemeinen sehr langsam, was mithilfe eines einfachen chemischen, kinetischen Modells berechnet wurde (Bild 9).
 
Die Einführung eines Paars von Mischluftstrahlen (Bilder 10–11)
führt nicht zur gewünschten Wirkung, da sie eine Strömung mit einer höheren Geschwindigkeit in dem Bereich, wo die Reifen und Windeln aufgegeben werden, erzeugt, wodurch die flüchtigen Bestandteile in die brennstoffreiche Zone des Oberteils mitgerissen werden. Es wurde jedoch erkannt, dass die Anwendung von Mischluftstrahlen innerhalb des kombinierten Oberteils, wo eine wichtige Trennung zwischen den sauerstoffreichen und brennstoffreichen Strömen besteht, zu einer besseren Verbrennung der Brennstoffe und zu einer Reduzierung der Emissionen von CO führen kann. Wenn diese Strahlen nach oben gerichtet wurden, wurden die Emissionen von CO um etwa 20  % innerhalb einer kürzeren Verweilzeit durch die Beseitigung von brennstoffreichen Taschen reduziert. Weitere Reduzierungen in der Größenordnung von 50  % wurden vorhergesagt, wenn der Impuls des Mischluftgebläses erhöht wird.
 
5    Kalzinatoren mit Eintritt von Zyklon-Tertiärluft
In einen anderen Vorkalzinator (Bild 12) wurde durch eine ­Wirbelbewegung Tertiärluft eingetragen, wodurch dessen Strömung in einen Wirbel versetzt wird. Das hat zur Folge, dass der größte Teil des Stroms näher an den Wänden bleibt, während der Strom des Steigrohrs sich näher an der Kalzinatorachse nach oben bewegt. Unter diesen Bedingungen werden die meisten Petrolkoksteilchen durch die höhere, nach oben gerichtete Geschwindigkeit des Gasstroms im Steigrohr mitgerissen und reagieren mit Sauerstoff unter Abluftbedingungen. Das führt zu einer höheren Bildung von CO aufgrund der nicht in Reaktion getretenen flüchtigen Bestandteile im inneren Strom, der weniger Sauerstoff enthält. Die Werte der CO-Emissionen wurden von 1250 auf 600 vppm reduziert, indem man die Petrolkoksbrenner dichter an den Eintritt der Tertiärluft absenkte.                                  
 
6    Große Dimensionierung
Einschränkungen in der Höhe durch den Einbau von Krümmern führten bei einigen Vorkalzinatoren älterer Bauart – trotz einer ausreichenden Verweilzeit für das Gas – zu einer Strömungsschichtung. Somit bringt eine längere Verweilzeit des Gases nur wenige Vorteile mit sich, wie in dem folgenden Beispiel gezeigt wird. Bei all diesen Vorkalzinatorkonfigurationen wird trotz Gasverweilzeiten von 3 bis 8 Sekunden (von links nach rechts) – durch eine plötzliche Änderung des Weges nach dem Krümmer – das Mischen des Stroms unterdrückt, und die nicht vermischten Ströme fließen schneller durch den inneren Weg, während der Strom im Außenbereich langsamer wird. ­Damit werden Bedingungen zur Strömungstrennung geschaffen.
Für diese Vorkalzinatoren stellte es sich als schwierig heraus, eine allgemeine Lösung zu finden, und jedes Problem musste gesondert betrachtet werden. So schlug zum Beispiel ein Lieferant für eine Anlage (Bild 13) vor, entweder das Steigrohr höher zu gestalten (Bilder 14–15), um die Verweilzeit für das Gas bzw. die Partikel zu erhöhen, oder eine Tertiärluftleitung einzubauen, um mehr Sauerstoff zu bekommen und damit die Klinkerproduktion und den Einsatz von Petrolkoks zu erhöhen und gleichzeitig die Probleme von Anbackungen zu reduzieren.
 
Simulationen haben gezeigt, dass durch das Absenken der Brennerposition etwas zusätzliche Verweilzeit in der Kammer für den Petrolkoks erreicht wurde. Dieser Vorteil wurde jedoch durch den hohen Impuls des Ofenstroms im unteren Teil minimiert, weil dadurch die Petrolkoksteilchen beschleunigt und näher an die Wände gedrückt wurden. Der geringe Gehalt an flüchtigen Bestandteilen ist wie erwartet der Grund für die langsame Entzündung. Die kombinierte Wirkung des Absenkens der ­Petrolkoksbrenner und der Erweiterung der Höhe des Vorkalzinators um 3 m war nur marginal hinsichtlich des Ausbrands der verkohlten Rückstände und des Grads der Kalzination, da die Verlagerung der Brenner mit dem sofortigen Einfluss der Mehlpartikel aus dem Kalzinator einhergeht, die die Flamme „abkühlen“. Somit stellt sich später ein marginaler Nutzen mit einer leichten Zunahme des Ausbrands von Petrolkoks in der Größenordnung von 4 bis 5  %  bzw. des Grads der Kalzinierung des heißen Mehls ein.
 
Der vorgeschlagene Umbau wurde gründlich durch MI-CFD-Simulationen bewertet. Auf der Grundlage bereits gesammelter Erfahrungen in anderen Anlagen wurde entschieden, die Leistung des Petrolkoksbrenners durch einen Luftstrom mit einem höheren Impuls zu verbessern, wodurch die Verbrennung von Petrolkoks um 11 % und der Grad der Kalzination um 6  % erhöht wurde. Diese Erhöhung wurde hauptsächlich dadurch erreicht, dass die Teilchen in den Strom des Steigrohrs eindrangen, sowie durch eine bessere Vermischung in der sauerstoffreichen Zone. Somit wurde in der Anlage die Option mit dem höheren Brennerimpuls gewählt und der Weg mit einem hohen Investitionsaufwand vermieden.
 
Bild 16 zeigt ein Beispiel eines In-line-Vorkalzinators mit ­Zyklonbrennkammer. Der Vorkalzinator besteht aus einer Wirbelkammer, die mit zwei Brennern für Kohle bzw. Petrolkoks ausgestattet ist. Reifenschnitzel wurden von einem nicht eingehausten Becherwerk einschließlich Schurren aufgegeben. Die Aufgabestelle oben am Kalzinator war versetzt zur Mittellinie des Kalzinators angeordnet. Das Eindringen von Falschluft als Folge dieser Anordnung war beträchtlich. Das führte zu einer derartigen Abkühlung der Flamme, dass es schwierig war, zwischen den getrennten Betriebszuständen der Verbrennung beider Kohlenbrenner zu unterscheiden. Es wurden ein ­Reihe von Computersimulationen durchgeführt, um einerseits die Auswirkungen der Falschluft zu minimieren und andererseits eine Verschiebung der Aufgabestelle der Reifenschnitzel hin zur Mittellinie des Kalzinators zu bewerten.
 
Aus den Vorhersagen in Bild 17 wird ersichtlich, dass eine Reduzierung der Falschluft um 50  % zu einer gleichmäßigeren Temperatur des Kalzinators und wieder zu unterschiedlichen Flammen jedes einzelnen Brenners führte. Dieses Bild zeigt die vorhergesagten Klinkertemperaturen und die Wirkung der Reduzierung des Eindringens von Falschluft im Zusammenhang mit der Aufgabe von Reifenschnitzeln. Der Grad der Abnahme der flüchtigen Bestandteile der Reifenschnitzel in der Höhe des Ofensteigrohrs nahm von 30 auf 98  % zu. Da der Gehalt an flüchtigen Bestandteilen bei Reifen hoch ist, d.  h. etwa
60  %, und die Gase mit flüchtigen Bestandteilen leicht verbrennen, führt das zu einer deutlichen Verbesserung des Ausbrands von Reifenschnitzeln. Die Halbierung der Falschluft wurde durch die Installation einer zweiten Fallklappe für Reifenschnitzel und das aufeinanderfolgende Öffnen dieser und der ersten Klappe erreicht.
 
Die MI-CDF-Untersuchung der Auswirkungen einer Verlegung der Aufgabestelle für Reifenschnitzel zur Mittellinie des Kalzinators zeigte keine Verbesserung des Ausbrands der Reifenschnitzel. Daher wurde dieser Vorschlag nicht berücksichtigt, was zu einer beachtlichen Kosteneinsparung führte.
 
Angesichts des Erfolgs der ersten MI-CFD-Studien folgten weitere. Eine untersuchte die Wirkung der Erhöhung des Ofengasstroms auf Kosten des Tertiärluftstroms, um höhere Geschwindigkeiten an der Ofeneinschnürung zu erreichen – mit dem Ziel, den Niederschlag von Schnitzeln zu reduzieren. Jedoch zeigte die folgende Neuverteilung des Sauerstoffs die unerwünschte Wirkung der Reduzierung des für die Entzündung und Verbrennung von Kohle bzw. Petrolkoks verfügbaren Sauerstoffs, was wiederum zu einer Reduzierung der Temperaturen und des Grads der Abnahme der flüchtigen Bestandteile von Reifen in der Wirbelkammer führte. Insbesondere ging der Grad der Abnahme der flüchtigen Reifenbestandteile an der Einschnürung auf 45  % zurück, der Ausbrand des verkohlten Rückstands des Gemischs aus Kohle und Petrolkoks am Ausgang des Vorkalzinators fiel von 90  % auf 80  %, und der Grad der Kalzinierung am Ausgang des Vorkalzinators verschlechterte sich von 95  % auf 89  %.
Ein anderer Verbesserungsvorschlag des Werks bestand darin, die Brenner für Kohle/Petrolkoks innerhalb der Tertiärluftleitungen näher an die Stelle der Eindüsung des heißen Mehls zu verlegen. Die Simulationen zeigten, dass die frühe Kalzinierung der heißen Mehlteilchen vorzeitig Wärme verbrauchte, wodurch wenig Wärme für die Abnahme der flüchtigen Bestandteile der Reifenschnitzel übrig blieb. Der Grad der Kalzination am Ausgang des Vorkalzinators betrug 95  %, aber der Grad der Abnahme der flüchtigen Bestandteile der Reifenschnitzel an der Einschnürung wurde um 30  % reduziert. Es gab noch eine weitere Untersuchung, die eine Umleitung der Tertiärluft zur Mitte der Wirbelkammer zum Ziel hatte. Dabei traten zwar ein paar positive Effekte auf, die aber nicht ausreichend waren, um die Kosten für einen Umbau zu rechtfertigen.                   
 
Das im nächsten Kapitel aufgeführte Beispiel zeigt eine weitere Nachrüstung, wobei eine Zyklonverbrennungskammer in einen In-line-Vorkalzinator eingebaut wurde, um AFR aufgeben zu können. Bei dieser Konfiguration vermischt sich die tangential eingebrachte Tertiärluft nicht gut mit der Kohle und den AFR-Teilchen, die von der Kammerachse her aufgegeben wurden. Im Oberteil des Kalzinators tritt eine Schichtung der Strömung auf, wo sich beide Gase des In-line-Steigrohrs mit den Verbrennungsprodukten mischen, die sich in der Zyklon­verbrennungskammer gebildet haben. Im Allgemeinen sollte festgehalten werden, dass, auch wenn das Konzept von Zyklon­verbrennungskammern gut ist, ihre individuelle Konstruktion zu Verbrennungsproblemen führen kann, die man hauptsächlich durch die Optimierung des Brenners und durch eine Einschränkung der Strömungsschichtung überwinden kann.
 
7    Lange In-line-Vorkalzinatoren
Das nächste Beispiel zeigt einen einzelnen Vorkalzinator mit Tertiärluftleitung (Bild 18) mit einer Verweilzeit, die mit der einiger der langen und geneigten Vorkalzinatoren (Bild 13) vergleichbar ist. Die Anordnung des Brenners und die Eindüsung der Tertiärluft führen zu einem viel schnelleren Sauerstoffverbrauch als bei den anderen Konfigurationen und zu einer langen Verweilzeit im Kalzinator, die dazu beiträgt, einen höheren Ausbrand der Petrolkoksteilchen am Ausgang des Kalzinators von bis zu 99,99  % sowie einen Grad der Kalzinierung von 96  % unter den meisten Betriebbedingungen zu erreichen.
 
Ein geneigter Vorkalzinator (Bild 19) mit einer ähnlichen Verweilzeit wurde modelliert. Er zeigte die typischen Anzeichen eines schlechten Teilchenausbrands und eines geringeren Grads der Kalzination. Um das Problem der Strömungsschichtung bei diesen Konfigurationen zu überwinden, wo Änderungen bezüglich der Tertiärluft bzw. der Brenner nicht durchführbar sind, könnte eine andere Methode erfolgreich angewendet werden, nämlich das Eindüsen von Luftströmen mit einem hohen Impuls. Eine detaillierte MI-CFD Studie wurde durchgeführt. In deren Ergebnis wurde ein Luftgebläse installiert, um das Mischen des Gasstroms zu beschleunigen. Nach verschiedenen Optimierungssimulationen wurde festgestellt, dass man wenigstens einen Impuls von 50  % des aufsteigenden Stroms durch die entgegengesetzten Strahlen benötigt, um eine ausreichende Stärke der Querströmung für das Mischen der brennstoffreichen und -armen Bereiche zu erreichen.
 
Um eine optimale Kombination der o.a. Parameter zu finden, wurden ökonomische und praktische Erwägungen bei der Festlegung der MI-CFD-Simulationen berücksichtigt, d.h. eine Minimierung des Drucks des Luftstroms und des Kompressors sowie Spezifikationen der Düsengröße (Bild 20). Die Anordnung entgegengesetzter Strahlen führt zu einer ausgezeichneten Mischung innerhalb des zentralen Bereichs des Kalzinators, jedoch zu einer sehr schlechten Mischung in den wandnahen Bereichen des Kalzinators. Die gleichen Effekte kann man beobachten, wenn zwei Strahlen in zwei unterschiedlichen Höhen, aber senkrecht zueinander, eingeführt werden. Es stellte sich heraus, dass die Lösung für eine gute Mischung – sowohl im zentralen als auch im wandnahen Bereich des Kalzinators – ein Paar gegenüberliegender Strahlen darstellt, die in einem Winkel von 60 ° zur Normalen eingedüst werden. Aber auch die Einführung von Umgebungsluft führt zu einem erhöhten Brennstoffverbrauch. Daher gilt als Faustregel: Geschwindigkeiten bis zu 250 m/s und Durchflussmengen von 10  % der stöchiometrischen Luft des Vorkalzinators werden als akzeptabel betrachtet.
In den Bildern 21–25 werden Ergebnisse der Simulationen gezeigt, in denen eine Fallstudie ohne Mischluftgebläse und die durchschnittlichen Betriebsbedingungen der Anlage mit zwei Optimierungsfällen verglichen werden. Für die Fälle 1 und 2 wurden 2  % und 4  % der stöchiometrischen Luft des Kalzinators (gleichmäßig in zwei Strahlen aufgeteilt) mit Einblasgeschwindigkeiten von 200 m/s verwendet. Eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit des Vorkalzinators im Vergleich zur Ausgangssituation ist in Tabelle 1 zusammengefasst.  
 
Die zwei identischen entgegengesetzten Strahlen würden in der Mitte zusammenstoßen und die Form einer dünnen Scheibe annehmen, was für die Mischung des Stroms hilfreich ist. Unter den Bedingungen einer höheren Geschwindigkeit einer Querströmung, d.  h. im Vorkalzinator, werden diese Strahlen jedoch durch den Aufwärtsstrom abgelenkt und die meisten treffen nicht aufeinander. Folglich sind sie weniger effektiv bezüglich der Förderung der Mischung im Vergleich zu ihrer Wirkung bei geringen Geschwindigkeiten der Querströmung, d.  h. in der Nähe des Ofenauslaufs, wo die Geschwindigkeiten viel geringer sind. Um die Leistung des Mischluftgebläses zu verbessern und die NOx-Emissionen zu reduzieren, wurde ein Neigungswinkel von 60 ° zur Normalen gewählt – zusammen mit einer imprägnierenden Luft mit einer Lösung von NH4OH (Ver­-
hältnis von NH3 zu NO 1:1). Die Ergebnisse (Bilder 20–25) zeigen, dass das Mischluftgebläse 2 im Vergleich zum Mischluftgebläse 1 aufgrund seines stärkeren Impulses einen größeren Einfluss auf das Mischen hat. Das erkennt man an den Flugbahnen der Petrolkoks- und Mehlpartikel (Bilder 24–25), die unter dem direkten Einfluss der beiden Strahlen stehen und sich mehr in radialer Richtung ausbreiten. Im Vergleich zur Ausgangssituation erhöhen sich sowohl der Teilchenausbrand als auch der Grad der Kalzinierung bei beiden Fällen mit Mischluftgebläse. Dank einer verbesserten Dispersion von NH3, das mit dem danach produzierten NO reagiert, wurde auch die Konzentration der NO-Emission von 910 auf 630 vppm reduziert. Das Potenzial der Mischluftgebläse im Kalzinator wurde jedoch noch nicht vollständig erkundet. Mit der angewendeten Methode wurden Verbesserungen erreicht, d.  h. weniger Anbackungen mit einer weniger häufigen Reinigung des Aufgabebereichs. Der Einsatz von Luftkanonen geht einher mit einem kleinen Opfer bezüglich des thermischen Wirkungsgrads.
 
8    Schlussfolgerungen
Die Technik der numerischen Strömungssimulation (CFD) hat sich nach ersten vorsichtigen Versuchen in der Raumfahrtindustrie vor mehr als 30 Jahren so stark weiterentwickelt, dass sie heute für die Simulation komplexer Prozesse, wie sie zum Beispiel in einem Zementwerk anzutreffen sind, eingesetzt werden kann. Eine besondere Stärke liegt in ihrer Fähigkeit, direkt Reaktionen mineralischer Umwandlungen mit Berechnungsverfahren der Verbrennung (MI-CFD) verbinden zu  können, um genauer und realistischer Temperaturen und Gaszusammensetzungen vorherzusagen, was wichtig ist für die realistische Gestaltung der Fließ- und Temperaturbereiche sowie der Gaskonzentrationen. Bezüglich der Probleme bestehender Kalzinatoren und der Erwartungshaltung an zukünftige hat MI-CFD das Potenzial, die Aerodynamik der Verbrennung, die Schadstoffemission sowie den Grad der Kalzination zu simulieren und die wirksamsten und kostengünstigsten Lösungen anzubieten.

Bei den aufgeführten Beispielen handelt es sich um Demonstrationsbeispiele mit Vorkalzinatoren unterschiedlicher Bauart, die sich von frühen bis zu den neuesten Konstruktionen erstrecken, die von führenden Anlagenbauern hergestellt wurden. Auf der Grundlage unserer MI-CFD-Simulationen und dem Feedback aus den Anlagen haben wir festgestellt, dass einfache bis exzellente Verbesserungen in Abhängigkeit von den Mischeigenschaften des Kalzinators erreicht werden. Dafür ist nur ein geringer Investitionsaufwand, einschließlich der Umsetzung der Anschlussstellen für Brennstoff, der Vergrößerung von Brennern sowie des Ausgleichs und Anpassens von Tertiärluft und Mehl, erforderlich. Ein Schritt, der für alle bestehenden Anlagen wärmstens empfohlen wird, ist, im Vergleich zur Verlängerung der entsprechenden Verweilzeit im Kalzinator, der Einbau einer Vorverbrennungskammer bei der Suche nach Wegen, den Durchsatz des Kalzinators zu erhöhen, insbesondere, wenn großstückige alternative Brennstoffe mit einer höheren Dichte eingesetzt werden sollen. Was jedoch den gegenwärtigen Trend zum Bau „großer“ Kalzinatoren angeht, die Verweilzeiten von 8 bis 10 Sekunden ermöglichen, sind diese nicht wirklich erforderlich, wenn bei ihrer Auslegung das frühe Mischen und die frühe Verbrennung von alternativen Brennstoffen und Rohmaterialien (AFR), Kohle, Petrolkoks, Tertiärluft und Ofengasen eine stärkere Beachtung findet.

Für eine Modernisierung und/oder Realisierung neuer Vorkalzinatorkonstruktionen ist es kostengünstiger, zuerst das Modell des Mischvorgangs im Vorkalzinator einzuschätzen und festzustellen, wo sich die einzelnen Reaktionszonen befinden und wie sie in Wechselwirkung stehen. Das geschieht mithilfe von Simulationswerkzeugen, wie sie im vorliegenden Beitrag beschrieben wurden, sodass die besten Veränderungen bzw. Verbesserungen ausgewählt und entsprechende Installationen vorgenommen werden können.
 
Danksagung
Die Autoren bedanken sich für die Zusammenarbeit und finanzielle Unterstützung durch unsere Kunden sowie für deren Erlaubnis, diese spezifischen mathematischen Ergebnisse der Modellierung mithilfe der MI-CFD zu veröffentlichen.