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