Verfahren zum Brennen von Zement oder Kalk im Schachtofen Die Erfindung bezieht sich auf ein Ver fahren zum Brennen von Zement oder Kalk im Schachtofen, das es ermöglicht, den Vor gang im Ofen so zu beeinflussen, dass bei ge ringerem Kohlenverbrauch ein besserer Klin ker als mit den bisher bekannten Verfahren erzeugt wird. Ausserdem kann bei dem neuen Verfahren ohne Nachteil für das Erzeugnis eine billigere, aschenreiche Kohle Verwen dung finden.
Bei Schachtöfen und Gasgeneratoren be steht - im Gegensatz zu Rostfeuerungen und solchen Feuerungen, bei denen Kohle und Luft im Gleichstrom geführt werden - der Nachteil, dass eine bessere Ausnutzung des Brennstoffes nicht durch stärkeres Einblasen von Luft erreicht werden kann.
Während bei den nach dem Gleichstromprinzip arbeitenden Anlagen in einer Änderung des Brennstoff- Luftverhältnisses durch stärkere oder schwä chere Luftzufuhr eine einfache Möglichkeit gegeben ist, nach Wunsch eine oxydierende oder reduzierende Atmosphäre zu erzeugen, liegen die Verhältnisse bei den nach dem Gegenstromprinzip arbeitenden Anlagen, auf die sich das Verfahren nach der Erfindung bezieht, grundsätzlich anders.
So durchwandert bei Schachtöfen das brennstoffhaltige, unter Wasserzusatz gra nulierte Rohmehlgemisch von oben nach unten den Ofen, und die Luft wird im Gegen strom dazu von unten nach oben geblasen. Oberhalb der Brennzone ist stets Kohleüber- schuss vorhanden, also eine reduzierende Atmosphäre. Unterhalb der Brennzone herrscht eine oxydierende Atmosphäre. Durch stärkeres Blasen gelingt es keinesfalls, sauerstoffhaltige Abgase zu erzielen, wie man das von allen andern Ofenanlagen gewohnt ist.
Stärkeres Blasen erzeugt vielmehr Jedig- lich einen schnelleren Feuerfortschritt, denn im Gegensatz zu den Gleichstromfeuerungen, bei denen die Verbrennungsgase heiss ent weichen, wird die Wärme der Verbrennungs gase fast voll wiedergewonnen und damit die frische Kohle vorgewärmt. In dieser Vor wärmzone entsteht aber CO, und man hat sich bisher damit abfinden müssen, kohle oxydreiche Abgase, also eine sehr unvoll kommene Verbrennung in Kauf zu nehmen.
Für den Reaktionsablauf im Schachtofen sind zwei verwandte Reaktionen massgebend: 1. die Boudouardsche Gleichung: C02+C = 2 C0, 2. die Hauenschildsche Gleichung: CaC03+C = 2<B>CO</B> +Ca0.
Wenn eine Granalie aus Rohmehl und Kohle in die Vorwärmzone gelangt, wird sie von den heissen Verbrennungsgasen erhitzt. Die an ihrer Oberfläche sitzende Kohle rea giert genau wie im Gasgenerator nach der Boudouardschen Gleichung.
Es bildet sich CO, denn Sauerstoffüberschuss ist in dieser Zone nicht mehr vorhanden, da auch eine stärkere Luftzufuhr lediglich eine beschleu- nigte Wanderung der Brennzone nach oben, aber keinen Sauerstoffüberschuss in den Ver brennungsgasen zur Folge haben könnte.
Wenn die Granalie mm weiter von der Vorwärmzone in die tiefer gelegene Brenn- zone gelangt, ändern sich die, Verhältnisse. Aus .der Granalienoberfläche ist die Kohle herausgebrannt. Auch das CaCO3 der Gra- nalienoberfläche ist bereits entsäuert und die Oberflächentemperatur kann nach der Ent säuerung rasch ansteigen.
Im Innern der Granalie steigt inzwischen die Temperatur so weit, dass dort die Hauenscbildsche Reaktion zum Ablauf kommt. Das entstehende CO strömt an die heisse Granalierioberfläche und verbrennt dort mit dem in dieser Zone noch vorhandenen 02 zu C02, das dann in der Vorwärmzone, wie oben beschrieben, teil weise wieder zu CO reduziert wird.
Die Hauenschildsche Reaktion in der Brennzone kann quantitativ verlaufen, so fern die Kohle fein gemahlen ist. Man hat früher verschiedentlich mit gemahlener Kohle gebrannt, das Verfahren jedoch als unwirt schaftlich wieder verlassen. In Fachkreisen gilt die Verwendung von gemahlener Kohle der CO-Verluste wegen als unwirtschaftlich.
So wird beispielsweise von Koch-Anseln ein sehr starker Rückgang des CO-Verlustes durch Weglassen der Feinanteile unter 4 mm berichtet (Anseln: Der Schachtofen 1952), und Schnittker berichtet im Schachtofen- Ausschuss des VDZ am 18. Juni 1953, dass sich die Zumahlung von Kohle nicht bewährt habe und wieder verlassen worden ist.
Nach der Erfindung wird nun die Bildung von CO gemäss der Boudouardschen Reaktion an der Granalienoberfläche dadurch verhin- i dert und zugleich dieVerwendung fein gemah lener Kohle mit deren verschiedenen, weiter unten angeführten Vorteilen und ohne CO- Verluste dadurch ermöglicht, dass feste Gra- nalien einheitlicher Korngrösse und Gestalt aus Rohmehl und Kohle hergestellt und mit einer brennstofffreien Schale einheitlicher Dicke,
beispielsweise aus Rohmehl oder Klinkerstaub, überzogen werden, wobei der Kohlegehalt des Kerns geringer ist, als der Gleichung CaC03+C = -) CO+CaO (Hauen- schildsche Gleichung), entspricht. Das Auf tragen der Schale muss dabei in einer Weise erfolgen, die eine genaue Überwachung und Regelung aller Faktoren, auch der benötigten zusätzlichen Wassermenge, gestattet.
Ein einfaches Nachpudern der Granalien, wie es gelegentlich angewendet wird, genügt meist nicht, da die Schale die Aufgabe hat, zu ver hindern, dass die Kohle des Kerns schon in der Vorwärmzone mit den heissen Verbren nungsgasen zur Reaktion kommt. Die Schale muss vielmehr eine bestimmte, von den Be triebsbedingungen abhängige Dicke haben, wie im folgenden näher dargelegt ist. Unter dieser Schutzschale ist dann die Verwendung fein gemahlener Kohle ohne Gefahr eines CO- Verlustes möglich.
Infolge der Schutzschale nach der Er findung erhitzen die heissen Verbrennungs gase zunächst nicht die Kohle, sondern geben ihren Wärmeinhalt an diese Schale ab, und die Kohle wird, ohne in der Vorwärmzone mit heissen Verbrennungsgasen in Berührung zu kommen, durch diese hindurch in die oxy dierende Brennzone geschleust, wo sie dann zur Reaktion kommt. Das Gegenstromprinzip ist gewissermassen aufgehoben und ein Zu stand herbeigeführt, als ob die Kohle erst weiter unten in den Ofen eingebracht worden wäre, und zwar um so weiter unten, je dicker die brennstofffreie Granalienschale war. Es entsteht ein ähnlicher Zustand wie bei einer Rostfeuerung.
Stärkeres Blasen wird nun auch nicht mehr ohne weiteres einen schnel leren Feuerfortschritt bewirken; der Feuer fortschritt wird vielmehr weitgehend durch die Schalendicke bestimmt. Es leuchtet ein, dass man durch die Schalendicke die Abgas analyse in die Hand bekommt. Bei dünner Schale wird noch CO auftreten, bei dickerer Schale wird das CO verschwinden, und bei noch dickerer Schale wird schliesslich ein Luft überschuss auftreten.
Wenn man also, zunächst ohne Rücksicht auf den Granaliendurchmesser, die Dicke der Schale bei allen Granalien gleich macht, kann man durch Variieren der Schalendicke jedes beliebige Brennstoffluftverhältnis erzielen und nach der Abgasanalyse auf den günstigsten Wert einstellen. Ein allgemein gültiger Wert für die richtige Schalendicke lässt sich nicht angeben. Er hängt von vielen Faktoren ab, die von Fall zu Fall verschieden sein können, wie Kohlesorte, Rohmehlzusammensetzung, Luftgeschwindigkeit u. a.
Wenn die Granalienschale aus Rohmehl besteht, genügt es jedoch nicht, die Schalen dicke einheitlich und gegebenenfalls beliebig veränderlich zu machen, sondern es muss auch das Verhältnis von Schalendicke und Kerndurchmesser innerhalb gewisser Gren zen bleiben, wie folgende Betrachtung ergibt: Die Kohle kann sich nur dann quantitativ nach Hauenschild umsetzen, wenn genügend CaC03 vorhanden ist. Bei üblichen Verhält nissen liegt die Grenze etwa um 11 Teile Betriebskohle auf 100 Teile Rohmehl.
Bei höheren Kohlegehalten bleibt Kohle übrig, die direkt mit Luftsauerstoff verbrannt wer den müsste. Der Luftsauerstoff dringt aber nur unvollkommen in das Innere der Granalie ein, und es besteht die Gefahr, dass durch die verbleibende Kohle die Eisenverbindungen unerwünschterweise reduziert werden, was eine Qualitätsminderung bedeutet.
Da nun zum Brennen von Rohmehl insgesamt un gefähr 8 % Kohle verbraucht werden, kommt man im Kern allzuleicht zu einer Überschrei tung der durch die Gleichung gefundenen Grenze, denn im Kern muss ja jetzt die Kohle angereichert werden, damit sie auch zum Brennen der Schale mitausreicht. Kern und Schale dürfen deshalb ein gewisses Gewichts verhältnis nicht unterschreiten, das sich für die jeweiligen Betriebsbedingungen aus der Hauenschildschen Gleichung berechnet. Da die Schalendicke, wie oben geschildert, von andern Faktoren bereits festgelegt ist, darf man auch mit dem Kerndurchmesser nicht beliebig heruntergehen.
Einige Beispielrech- nungen zeigen, dass sich daraus die Forderung nach Mindestgranaliengrösse ergibt, die schon nahe an der Grenze dessen liegen, was man für Schachtöfen noch als tragbar ansieht, um eine gute Klinkerkühlung bei mässiger Ofen höhe zu erzielen.
Dazu kommt, dass die aus ; derHauenschildschenFormel errechnete Zahl einen theoretischen Grenzwert darstellt, der in der Praxis nicht erreicht wird. Wenn die einheitliche Korngrösse sich während des Betriebs variieren lässt, hat man ein einfaches ; Mittel, um für die zufälligen örtlichen Ver hältnisse den günstigsten Erfahrungswert einzustellen.
Es sind bereits Verfahren bekannt, Gra- nalien von einheitlichem Durchmesser herzu-, stellen durch Kombination von Granulier- trommeln mit Siebvorrichtungen oder ein facher durch Verwendung von Granulier- tellern mit einfachem Staurand; bei letzteren lässt sich der Granaliendurchmesser während, des Betriebes leicht ändern.
Zweck der bisher hergestellten Einkorngranalien war lediglich die Erzielung einer guten Luftdurchlässigkeit des Ofeninhaltes. Auch handelte es sich hier bei nicht um Granahen mit einer brennstoff freien Schutzschale.
Für die Verblaserost-Sinterung ist schon ein den Schalengranalien verwandtes Prinzip vorgeschlagen worden. Es sollen dort, um eine entsprechend kurze Brennzone zu er zielen, nur kleine, lockere Krümel aus Roh mehl, Rückgut und Koks hergestellt werden, und es ist eine Nachpuderung dieser kleinen Krümel mit kohlefreiem Rohmehl vorge sehen.
Hier handelt es sich jedoch nicht um feste Granalien mit einheitlicher Korngrösse und Gestalt, sondern um lockere unregel mässige Krümel, die nicht grösser als etwa 5 mm sein dürfen, um den für das Sinterband nötigen Durchmesser zu erzielen.
Das Kenn zeichen der vorliegenden Erfindung ist aber gerade, dass die Aussenschicht ganz regel mässig mit überall gleicher Dicke aufgebracht wird und dass bei Verwendung von Rohmehl schalen solch kleine Granaliendurchmesser, wie sie beim Sinterband gebraucht werden, vermieden werden sollen.
Der beim Mahlen der Kohle erzielte - weiter unten beschrie bene - zonare Reaktionsfortschritt innerhalb einer Granalie von aussen nach innen setzt voraus, dass die Temperaturdifferenzen zwi- sehen Schale und Kern 500 und mehr be tragen, und dies ist bei Granahen unter 5 mm Durchmesser gar nicht möglich. Versuche mit solchen Krümeln im Schachtofen sind bei Verwendung von gemahlener Kohle daher auch negativ verlaufen.
Ebenso ist bereits ausgeführt worden, dass auch wegen der Hauenschildschen Reaktion grössere Grana- lien erstrebt werden müssen. Solche lassen sich nur im Schachtofen, nicht auf dem Sin- terband brennen. Wenn mit dem Nachpudern der Sinterband-Krümel gewisse Verbesserun gen erzielbar sind, so können diese nur Teil erfolge sein, denn der Schaffung optimaler Bedingungen steht die Kleinheit der Sinter- bandkrümel im Wege.
Das Schaleverfahren kann selbstverständ lich mit solchen Kohlefeinheiten durchge führt werden, wie sie bei Zementschachtöfen allgemein üblich sind (Feinkohle unter 6 mm). Ein besonderer Vorteil besteht aber darin, dass man unter dem Schutz der verhältnis mässig dicken Schale jetzt auch fein gemah lene Kohle verwenden kann, ohne dass ein CO-Verlust auftritt.
Bisher galt die Verwen dung von gemahlener Kohle wegen der CO- Verluste als unwirtschaftlich. Sie bietet aber anderseits folgende erhebliche Vorteile, von denen bei dem Verfahren nach der Erfindung Gebrauch gemacht werden kann: 1. Bei ungemahlener Kohle entsteht um jedes Kohlenkorn herum ein Aschenrest, der lokal die Rohmehlzusammensetzung ändert und verdirbt. Bei gemahlener Kohle entsteht eine homogene Aschenverteilung, die bei der Einstellung der Rohmehlzusammensetzung bereits berücksichtigt werden kann.
Bisher war der Aschenfehler einer der Hauptgründe, weshalb Schachtofenklinker dem Drehofen klinker nicht ebenbürtig sein konnte. Durch die Kohlenzumahlung wird dieser Nachteil beseitigt. Es entsteht sogar der Vorteil, dass man zu unbeschränkter Verwendung von billiger, aschenreicher Kohle übergehen kann.
Das kohlenhaltige Kernmehl muss selbst verständlich anders im Kalk eingestellt wer den als das Schalenmehl, so dass sich nach dem Brennen für beide Teile der richtige Kalksättigungsgrad ergibt.
z. Bei ungemahlener Kohle kommt es häufig vor, dass Kohlenkörper von dicht ge sintertem Klinker umschlossen werden, ehe sie Gelegenheit haben zu verbrennen. Die weitere Verbrennung wird unmöglich, denn es kann auch später in der Kühlzone keine Verbrennungsluft mehr hinzutreten. Die Kohle bleibt unverbrannt und reduziert den Klinker in der Umgebung. Neben dem schon unter Ziffer 1 genannten Aschenfehler sind diese Reduktionserscheinungen hauptsäch lich dafür verantwortlich, dass bisher der Schachtofenklinker dem Drehofenklinker gegenüber nicht als ebenbürtig gilt.
In solch reduziertem Klinker entsteht sekundärer freier Kalk, und ein daraus erzeugter Zement hat minderwertige Eigenschaften. Im Gegen satz dazu verbleibt fein gemahlene Kohle nicht in gesintertem Klinker, denn sie ist ja nicht auf Luftzutritt angewiesen, sondern verbrennt primär mit CaC03 zu CO, und diese Reaktion ist bereits abgelaufen, bevor die Sintertemperatur erreicht wird. Die gefürch teten Reduktionserscheinungen bleiben aus, wie in Grossversuchen nachgewiesen werden konnte.
3. Ein weiterer, zunächst nicht erwarteter und bisher noch unbekannter Vorteil der gemahlenen Kohle hat sich bei mehrwöchigen Grossversuchen ergeben. Bei grober Kohle tritt eine äussere Sehwindung der Granalien bis zu 40q/, ein, die zur Bildung eines Rand spaltes im Ofen und damit zu ungleichmässi ger Luftverteilung führt. Bei gemahlener Kohle ist die äussere Brennschwindung wesentlich geringer. Es bildet sich nämlich zuerst auf der Oberfläche der Granalien eine feste Klinkerhaut, die als Gerüst dient.
Bei dem nachfolgenden Durchbrennen des Kerns schwindet diese Haut nicht mehr, und durch das Schwinden des Kernmaterials bilden sich innere Hohlräume. Den charakteristischen Verlauf dieses Prozesses kann man beob achten, wenn man heisse Granalien in ver schiedenen Brennstadien aus der Brennzone holt und schnell abkühlt. Bei gemahlener Kohle zeigt sich eine Zonenbildung.
Im ersten Stadium findet man Granahen, deren Ober fläche etwa 1 mm stark gesintert ist, darunter findet sich eine Zone aus gelbem, entsäuertem Schwachbrand von etwa 1/2 mm Dicke, dann folgt der kohlehaltige, unentsäuerte Kern, der im Innern sogar die charakteristischen Farben zeigt, die bei 400 bis 500 auftreten. Im weiter fortgeschrittenen Brennstadium wandern die Zonen von aussen nach innen, bis die Durchsinterung erreicht ist. Vorwärm-, Kalzinier- und Sinterzone sind also in die Granalien selbst verlegt.
Ein solcher Klinker hat zuletzt eine sehr charakteristische, rosen- blütenartige Struktur, an der sofort erkannt werden kann, dass er mit gemahlener Kohle gebrannt worden ist. Er besteht aus inein- andersteckenden Schalen, die durch Hohl räume getrennt sind.
Ein mit solch porösen Granalien geführ ter Ofen hat eine wesentlich günstigere Luft verteilung, denn einerseits ist die Randspalt bildung geringer, anderseits hat der Klin- kerstock selbst infolge der gebildeten Hohl räume eine bessere Luftdurchlässigkeit. Es lässt sich eine höhere Leistung und bessere Klinkerqualität bei geringerem Kohlenver brauch erzielen. Dieser poröse Klinker ist auch leichter mahlbar.
Bei ungemahlener Kohle lässt sich die Zonenbildung innerhalb der Granalien nicht beobachten. Auch schwindet die Granalie äusserlich stark und ist weit weniger porös. Es ist klar erkennbar, dass der Ofenbetrieb mit gemahlener und mit ungemahlener Kohle auf zwei grundsätzlich verschiedenen Pro zessen beruht, wobei der Betrieb mit gemah lener Kohle erst nach dem Verfahren gemäss der Erfindung wirtschaftlich und vorteilhaft zu gestalten ist.
Bei einer andern Durchführungsform des Verfahrens wird zweckmässig die Granalien- schale statt aus Rohmehl aus fertig gebrann tem Klinkermehl, also Rückgut, hergestellt. Hierdurch lassen sich die engen Grenzen für die Granaliengrösse vorteilhaft erweitern; denn die Verhältnisse beim Brennen ändern sich dann folgendermassen:
Da das Klinker- mehl schon entsäuert ist und der Wärme aufwand zum Erhitzen der Schale weit gehend in der Kühlzone zurückgewonnen wird, entsteht für die Schale kein wesent licher Wärmeverbrauch, und es tritt die Ge fahr nicht ein, dass der Kohlegehalt des Kerns übersteigert werden muss, um die Schale mit- zubrennen. Die Bedenken, zu etwas kleineren Granalien überzugehen, fallen dann weg, ja es können so kleine Granalien verwendet wer den, dass sie sich nicht nur für den Schacht ofen, sondern auch für das Sinterband eignen.
Es ist zwar bekannt, bestimmte Korn fraktionen des fertig gebrannten Ofengutes auszusieben und erneut einzugranulieren. Hierdurch wird eine Herabsetzung der Brenn- schwindung im Ofen und dadurch eine gleich mässigere Luftverteilung und Verbrennung erreicht. Die CO-Verluste konnten mit diesem Verfahren zwar etwas verringert, aber nicht beseitigt werden. Dies ist erst durch das Auf granulieren von Rückgut als Äussenschale möglich.
Zur Herstellung der Schalengranalien kann man sich bekannter Methoden be dienen, z. B. kann man durch eine Kombina tion von Granuhertrommel und Siebvorrich tung Einkorngranalien erzeugen, die in einer nachgeschalteten Granuliervorrichtung mit einer Schale versehen werden. Besonders vor teilhaft ist jedoch die Verwendung eines Granuliertellers mit zwei konzentrischen Staurändern. Der Granulierteller hat den Vorteil, dass die Granaliengrösse während des Betriebes verändert werden kann, und dass ohne weitere Hilfseinrichtungen Einkorn granalien entstehen.
Im innern Staurand werden die Korngranalien erzeugt und fallen, sobald sie ihre richtige Grösse erreicht haben, in den äussern Staurand. Dort wird die ge wünschte Menge Schalenmehl zugeführt und unter entsprechendem Wasserzusatz auf granuliert.
Zusammenfassend lassen sich also mit dem Verfahren nach der Erfindung beim Zementbrennen im Schachtofen folgende Vor teile erzielen: 1.<B>-</B>Vollkommene Verbrennung, dadurch Kohlenersparnis bis zu 30%; 2. Vermeidung des Aschefehlers im Klin ker; 3. Hochwertiger Klinker kann mit asche- reicher Kohle erzeugt werden; 4. Vermeidung von minderwertigem, re duziertem Klinker; 5. Steigerung der Ofenleistung; 6. Leichtere 12ahlbarkeit des Klinkers.