Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Klinkerersatzstoffes und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Klinkerersatzstoffes.

Zement ist ein bedeutender Rohstoff für das Baugewerbe und die moderne Bauindustrie. Der Werkstoff kommt dabei bei sehr vielen unterschiedlichen Projekten wie den Gebäudebau oder auch in Baumaßnahmen wie dem Brücken- und Tunnelbau zum Einsatz. Zusammen mit Zuschlagsstoffen, beispielsweise Sand, sowie Wasser härtet Zement zu Beton aus. Zement härtet als Wassermörtel auch unter Wasser aus. „Der wichtigste Kalk-Ton-Zement ist der “Portlandzement“. Erbesteht aus 58-66 % CaO, 18-26 %Si0 ₂ , 4-12 % Al ₂ 0 ₃ , 2-5 % Fe ₂ 0 ₃ und enthält hauptsächlich Ca ₃ Si0 ₄ (Molverhältnis ca. 2:1), darüber hinaus ca. 10 Gew. % Ca ₃ Ai ₂ 0 ₆ und 1 Gew. % Ca ₂ AIFe0 ₅ “. (Holleman, Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, de Gruyter, 2007, S. 1257, ISBN: 978-3-11-017770-1 , im folgenden Holleman, Wiberg).

Wie in beispielsweise der DE 10 2004 038 313 A1 beschrieben, kann die Zementherstellung die Grundschritte Vorwärmung, Kalzinierung, Klinkererzeugung im Brennofen und Abkühlung umfassen.

Ein wichtiges Ausgangsprodukt in der Zementherstellung sind Tonmineralien. Diese Tonmineralien, beispielsweise Kalksteinmergel, werden im weiteren Herstellungsverfahren insbesondere fein vermahlen gebrannt (ca. 1450 °C). Nach dem Abkühlen kann der gesinterte Zementklinker beispielsweise mit 2 - 5 % Gips oder Anhydrid vermahlen und in Säcke gepackt werden (Holleman, Wiberg, S.1257).

Aufgrund der erforderlichen hohen Brenntemperatur ist die Zementherstellung sehr energieintensiv. Um die Kosten der Zementherstellung niedrig zu halten, werden verschiedene, in der Regel kostengünstige, Stoffe verbrannt. Dies können brennbare Gase, z.B. Erdgas, brennbare Flüssigkeiten (z.B. Mineralöle) oder brennbare Feststoffe (z.B. Kohlestaub) sein. Häufig werden auch in anderen Produktionsprozessen anfallende Reststoffe verfeuert.

Der hohe Energieverbrauch in der klassischen Zementklinkerherstellung kombiniert mit einer weiterhin hohen Nachfrage nach Baumaterialien beinhaltet sowohl hohe Kohlendioxid- und auch Stickoxidemissionen in der Zementherstellung. Im Zuge im strenger werdender Umweltauflagen und Gesetze, sowie gleichzeitig steigenden Rohstoff- und Energiepreisen steigen die Anforderungen an die Ausgestaltung der Kalzinierungs- und Brennprozesse. Dies bedeutet, dass auch bei der Nutzung von billigen und kostengünstigen Brennstoffen die Bildung von Kohlendioxid und Stickoxiden soweit wie möglich reduziert werden muss.

Eine Möglichkeit zur Reduzierung des Kohlendioxidverbrauches ist der wenigstens teilweise Ersatz fossiler Brennstoffe, beispielsweise und insbesondere durch den Einsatz von Ersatzbrennstoffen, welche aus Abfällen gewonnen werden, beispielsweise Altreifen, Hausmüll oder Gewerbemüll, aber auch aus biologischen Materialien. Die Verbrennung von altreifen beispielsweise kann in solchen Anlagen typischer Weise aufgrund der Verfahrensparameter vergleichsweise sicher erfolgen. Da diese Abfälle bereits vorliegen, werden somit für die benötigte Energie keine zusätzlichen fossilen Brennstoffe verbraucht. Aufgrund Ihrer Eigenschaften (Größe bzw. Grobheit, Feuchtigkeit, variable Zusammensetzung, hohe Zündtemperatur, ...) kann es jedoch schwierig sein, gezielt eine unterstöchiometrische Verbrennung einzustellen.

Eine Möglichkeit zur Reduzierung des Kohlendioxidverbrauches ist der teilweise Ersatz des Zementklinkers durch entsprechende Ersatzstoffe, beispielsweise kalzinierter Ton. Beispiele finden sich hierfür in der DE 102011 014498 A1.

Effiziente Kalzinierungsverfahren im Umfeld der Zementherstellung, insbesondere der Kalzinierung bedingen außerdem bei einer Optimierung des Kohlendioxidausstoßes und damit einer effizienten sowie sparsamen Verbrennung häufig recht hohe Bildungsraten von Stickoxiden (NO _x ). Hierzu sind teilweise zusätzliche und analagentechnisch recht komplexe Zusatzschritte oder Zusatzvorrichtungen erforderlich um die Stickoxidbildung zu minimieren.

DE 102004038313 A1 offenbart einen Brenn- bzw. Kalzinierofen zur Herstellung von Zement aus Ofenrohmaterial.

DE 102014 113 127 A1 offenbart ein Verfahren und Anlage zur thermischen Behandlung von flugfähigen Rohmaterial. Das Rohmaterial wird in ein von Heizgasen durchströmten Steigrohr eingeführt und dort thermisch behandelt.

DE 10 2008 031 165 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage zur Herstellung von kalzinierten Ton. Erfindungsgemäß wird der Drehrohr- bzw. Röstofen zur Erzeugung von Heizgas als Brennkammer genutzt, durch eine Brennkammer ersetzt und/oder durch eine zusätzliche Brennkammer ersetzt. DE 198 54 582 A1 offenbart ein Verfahren und eine Anlage zur thermischen Behandlung von mehlförmigen Rohmaterialien.

US 8,474,387 B2 offenbart eine Anlage und Verfahren zur Verbrennung von verschiedenen brennbaren Abfällen in der Zementherstellung.

DE 10 2011 014498 A1 offenbart einen Klinkerersatzstoff und Verfahren zur Herstellung des auf dem Klinkerersatzstoff basierende Baustoffe.

Aus der DE 102014 116 373 A1 ist ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Tonen und/oder Zeolithen unter reduzierenden Bedingungen bekannt.

Die Erfindung hat die Aufgabe ein Verfahren zur Herstellung eines Klinkerersatzstoffes bereitzustellen, welches eine effizientere Verbrennung verschiedener Brennstoffe unter Minimierung des Schadstoffaustoßes, insbesondere von Kohlendioxid und Stickoxiden ermöglicht. Ebenso ist es die Aufgabe, die Atmosphäre der thermischen Behandlung gezielt einstellen zu können, um durch eine unterstöchiometrische Verbrennung eine reduzierende Atmosphäre zu erzeugen.

Diese Aufgabe wird eine Vorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch das Verfahren mit den in Anspruch 6 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur thermischen Behandlung von mineralischen Stoffen weist eine erste Brennkammer, eine zweite Brennkammer und einen Reaktor zur thermischen Behandlung von mineralischen Stoffen auf. Die erste Brennkammer ist zur Verbrennung eines ersten Brennstoffs ausgebildet. Die erste Brennkammer und die zweite Brennkammer sind mit einer ersten Verbindung zur Überfügung heißer Gase aus der ersten Brennkammer in die zweite Brennkammer verbunden. Die zweite Brennkammer ist zur Verbrennung eines zweiten Brennstoffes ausgebildet. Die zweite Brennkammer und der Reaktor sind mit einer zweiten Verbindung zur Überführung heißer Gase aus der zweiten Brennkammer in den Reaktor verbunden. Die erste Brennkammer weist eine erste Brennstoffzuführvorrichtung zur Zuführung des ersten Brennstoffes auf. Die zweite Brennkammer weist eine zweite Brennstoffzuführvorrichtung zur Zuführung des zweiten Brennstoffes auf. Der Reaktor weist eine dritte Brennstoffzuführung zur Zuführung eines dritten Brennstoffes auf. Der erste Brennstoff und der zweite Brennstoff sind verschieden.

Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass die Brennstoffe unterschiedlich gewählt werden können. Insbesondere und bevorzugt ist der erste Brennstoff ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Kohle, Kohlenstaub, Öl, Erdgas, Biogas, Methan, Ethan, Propan, Butan, Wasserstoff, und der zweite Brennstoff ist ein Ersatzbrennstoff. Mit dem ersten Brennstoff in der ersten Brennkammer wird eine ausreichende Temperatur erzeugt, um in der zweiten Brennkammer auch Brennstoffe zu verbrenne, welche eine erhöhte Temperatur benötigen, beispielsweise Biomasse, die dabei getrocknet werden muss. Aber auch beispielsweise Altreifen können nicht so leicht entzündet werden.

Ersatzbrennstoffe sind Brennstoffe, die aus Abfällen gewonnen werden. Dabei kann es sich sowohl um feste, flüssige oder gasförmige Abfälle handeln, die in unterschiedlicher Aufbereitungstiefe aufbereitet sind. Die zur Herstellung von Ersatzbrennstoff verwendeten Abfälle können beispielsweise aus Haushalten, Industrie oder Gewerbe stammen. Unter den Begriff Ersatzbrennstoff fallen sämtliche nicht-fossilen Brennstoffe. Sie können aus selektiv gewonnenen, produktionsspezifischen (Gewerbe-)Abfällen wie auch aus unspezifischen Abfallgemischen, wie Siedlungsabfall, hergestellt werden. Beispielsweise werden die aus ausgewählten Stoffströmen gezielt aufbereiteten Sekundärbrennstoffe aufgrund der höheren Qualitätsanforderungen durch anspruchsvolle Verarbeitungstechnologien maßgeblich in den Zementkraftwerken eingesetzt. Mit Energieanteilen von ungefähr 15 % und darüber eignen sich Rohabfälle wie Altreifen, Kunststoffe, Industrie- und Gewerbeabfälle sowie Tiermehl und Tierfette zur Ersatzbrennstoffaufbereitung für den Einsatz in der Zementindustrie. Mit geringeren Energieanteilen werden unter anderem auch Altöl, Lösungsmittel sowie Siedlungsabfälle für die Aufbereitung genutzt. Flugfähige Fraktionen der Sekundärbrennstoffe werden auch als „Fluff bezeichnet und in der Zementindustrie verwendet.

Der dritte Brennstoff ist beispielsweise und insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Kohle, Kohlenstaub, Öl, Erdgas, Biogas, Methan, Ethan, Propan, Butan, Wasserstoff. Der dritte Brennstoff lässt sich dann vergleichsweise gut zu dosieren, um eine unterstöchiometrische Verbrennung zu erzielen und verbrennt einfach und zuverlässig im Reaktor.

Eine Brennstoffzuführvorrichtung ist stark abhängig vom verwendeten Brennstoff. Im Falle fester Brennstoff kann es sich um ein Förderband oder eine Schnecke handeln, bei flüssigen Brennstoffen um eine Düse, bei Gasförmigen Brennstoffen um ein Ventil. Ein fester Brennstoff, beispielsweise Kohlenstaub kann auch zunächst in einen Luftstrom eingebracht und somit in gasförmiger Form durch die Brennstoffzuführvorrichtung eingebracht werden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die erste Brennkammer eine erste Sauerstoffzuführvorrichtung auf und die zweite Brennkammer weist eine zweite Sauerstoffzuführvorrichtung auf. Die zweite Brennkammer, die zweite Verbindung und/oder der Reaktor weist einen Sensor zur Erfassung des Sauerstoffgehalts auf. Besonders bevorzugt wird die Messung des Sauerstoffgehalts zur Regelung der durch die Sauerstoffzuführvorrichtungen zugeführte Menge an Sauerstoff geregelt.

Über eine Sauerstoffzuführvorrichtung wird ein Gas mit Sauerstoff zugeführt. Hierbei kann es sich beispielsweise um Luft, reinen Sauerstoff aber auch um mit Sauerstoff abgereicherte Prozessgase, beispielsweise mit einem Sauerstoffanteil von nur 5 Vol.-% handeln. Daher kann das Gas auch einen Feststoffanteil, beispielsweise Asche oder Ruß aufweisen. Die Sauerstoffzuführvorrichtung kann hierbei eine rein passive Öffnung sein, um beispielsweise Luft aus der Umgebung einzulassen. Es kann sich um einen Ventilator handeln, um das Gas aktiv zu fördern. Insbesondere bei Verwendung von Prozessgasen kann es sich bei der Sauerstoffzuführvorrichtung um ein Ventil zu Regulierung des Zuflusses handeln.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Brennkammer zur Rostfeuerung des zweiten Brennstoffes ausgebildet. Insbesondere wird der feste zweite Brennstoff, welcher ein Ersatzbrennstoff ist, über das Rost oder mit dem Rost gefördert, insbesondere auch um Asche an der dem Eintrag des zweiten Brennstoff gegenüberliegenden Seite wieder auszutragen. Optional und bevorzugt kann Sauerstoff von unten durch das Rost zugeführt werden, um den Ersatzbrennstoff effizienter zu verbrennen.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Reaktor ein Drehrohrofen oder ein Calcinator, insbesondere ein Flugstromcalcinator,.

Die Vorrichtung kann beispielsweise einen Flugstromcalcinator umfassen. Der Flugstromcalcinator weist eine Produkteingangsöffnung (für das zu kalzinierendes Produkt) und einer Produktausgangsöffnung und eine Brenngasöffnung auf.. Die Produkteingangsöffnung ist bevorzugt in Brenngasstromrichtung oberhalb der Brenngasöffnung angeordnet. Diese Anordnung bewirkt, dass ein flugfähiges (im Brenngasstrom mitführbarer) mineralisches Stoffgemisch (z.B. Tonmineralien) vom Brenngasstrom (Kalzinierungsstrom) durch den Flugstromcalcinator geführt werden kann und innerhalb des Flugstromcalcinators kalziniert wird. Die zweite Brennkammer ist mit der Brenngasöffnung und einer Verbrennungsgaszuführung (beispielsweise für Luft oder Luftgemische mit variierenden Sauerstoffanteil) und einer Brennstoffzuführung verbunden. Die zweite Brennkammer umfasst des Weiteren beispielsweise und bevorzugt eine Rostfeuerung. Die Rostfeuerung ermöglicht eine Verbrennung und Nutzung fester, flüssiger und auch hochviskoser Brennstoffe bzw. brennbare Abfallstoffe. Weiterhin ist eine Produktzuführungsleitung mit der Produkteingangsöffnung verbunden. Ergänzend ist eine Luftzuleitung vorgesehen, wobei die Luftzuleitung über mindestens ein Ventil mit dem Flugstromcalcinator und/oder der Brennkammer verbunden ist. Über die Luftzuleitung und gegebenenfalls angeschlossenen Pumpen lässt sich der Sauerstoffanteil im Flugstromcalcinator über das Ventil regeln und steuern.

Bevorzugt ist die Produktzuführungsleitung mit einer oder mehrerer Vorwärmvorrichtung(en), bevorzugt Zyklonvorwärmern, verbunden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist einen Sensor zur MeDer SensorSauerstoffsonde ermöglicht eine Überwachung der Sauerstoffkonzentration im Flugstromcalcinator.

Weiterhin bevorzugt ist eine Einrichtung zur Datenverarbeitung mit dem Sensor und dem Ventil verbunden. Die Einrichtung zur Datenverarbeitung, welche mit dem Sensor verbunden ist, steuert den zusätzliche Gasstrom, beispielsweise über ansteuerbare Ventile und Pumpen. Die Einrichtung zur Datenverarbeitung umfasst bevorzugt eine Steuereinrichtung, z.B. Mikroprozessor mit Software und einen Signalwandler aus der Sauerstoffsonde.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur thermischen Behandlung von mineralischen Stoffen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Verbrennen eines ersten Brennstoffes in einer ersten Brennkammer, b) Überführen der heißen Gase aus der ersten Brennkammer in eine zweite Brennkammer, c) Verbrennen eines zweiten Brennstoffes in der zweiten Brennkammer, d) Überführen der heißen Gase aus der zweiten Brennkammer in einen Reaktor, e) Unterstöchiometrisches Verbrennen eines dritten Brennstoffes in dem Reaktor und thermisches Behandeln von mineralischen Stoffen.

Besonders bevorzugt wird das Verfahren in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt. Besonders bevorzugt werden die Gase in der ersten Brennkammer auf eine erste Temperatur erwärmt, welche ausreichend ist, um eine effiziente Verbrennung des zweiten Brennstoffs, des Ersatzbrennstoffes, zu gewährleisten. Die Gase werden in der zweiten Brennkammer weiter erhitzt, um eine ausreichende Temperatur aufzuweisen, um im Reaktor die thermische Behandlung der mineralischen Stoffe zu ermöglichen. Je nach verwendetem Reaktor um umzusetzenden Stoffen liegt diese Temperatur zwischen etwa 700 °C und 1500 °C, wobei im Falle einer Kalzinierung von Klinker im Reaktor die Temperatur beispielswiese in einem Bereich von 780 °C bis 880 °C liegt, im Falle der Kalzinierung von Klinkerersatzstoffen bei Temperaturen von 700 °C bis 1100 °C, im Falle der Sinterung von Klinker beispielsweise in einem Bereich von 1350 °C bis 1450 °C.

Durch dieses gestufte Verfahren ist es zum einen möglich, in der zweiten Brennkammer Ersatzbrennstoffe einzusetzen und so gezielt die Verwendung fossiler Rohstoffe zu reduzieren. Zum anderen kann durch eine unterstöchiometrische Verbrennung des dritten Brennstoffs im Reaktor eine reduzierende Atmosphäre geschaffen werden, um so optimale Produkteigenschaften, beispielsweise Farbe des Produkts, einzustellen.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Zuführung des dritten Brennstoffes zur Erzielung der unterstöchiometrischen Verbrennung aufgrund wenigstens eines der gemessenen Parameter geregelt , wobei der Parameter ausgewählt ist aus der Gruppe Sauerstoffgehalt in der zweiten Brennkammer, Sauerstoffgehalt in der zweiten Verbindung, Sauerstoffgehalt im Reaktor, Eigenschaften, insbesondere Farbe, des Produktes des thermisch behandelten mineralischen Stoffes nach Entnahme aus dem Reaktor.

Alternativ oder zusätzlich kann auch die Sauerstoffzufuhr in den Reaktor aufgrund des gemessenen Parameters geregelt werden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt das thermische Behandeln mit einem Sauerstoffpartialdruck p0 ₂ kleiner 10 ⁸ bar, bevorzugt p0 ₂ kleiner 10 ¹¹ bar.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt das thermische Behandeln mit einem Volumenverhältnis C0 ₂ /CO kleiner 1000, bevorzugt kleiner 50.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt das thermische Behandeln bei einer Luftzahl (A[Lambda]) kleiner 1 , bevorzugt A[Lambda] = 0,70 bis 0,99, besonders bevorzugt A[Lambda] = 0,85 bis 0,98. Die Luftzahl Lambda-Wert oder das Verbrennungsluftverhältnis ist definiert als das Verhältnis der zugeführten Luftmenge zur Luftmenge der stöchiometrischen Verbrennung (siehe auch Römpp, Chemie Lexikon, 9. Auflage, 1995, Seite 2437, „Lambda- Wert“).

Weitere Schritte zur thermischen Behandlung sind beispielsweise und insbesondere ein Bereitstellen eines mineralischen, tonhaltigen Stoffgemisches. Das mineralische, tonhaltige Stoffgemisch enthält bevorzugt mindestens 5 Gew. % Tone, Tonerden, Schichtsilikate, beispielsweise Tonminerale, bevorzugt beispielsweise Kaolin oder Kaolingemische. In einer Rostfeuerung, wobei die Rostfeuerung in der zweiten Brennkammer angeordnet ist, erfolgt das Bereitstellen eines heißen Gasstromes, beispielsweise eines Kalzinierungsstroms. Der Ausdruck „Kalzinierungsstrom“ beschreibt im Sinne der Erfindung den in der Brennkammer durch Verbrennung von Brennstoff auf der Rostfeuerung entstehenden Gasstrom aus Verbrennungsgasen. Die Rostfeuerung erlaubt die Verbrennung auch von festen, flüssigen und hochviskosen Brennstoffen. Die Rostfeuerung stellt den Kalzinierungsstrom und damit den Gasstrom zur Kalzinierung zur Verfügung. Das mineralische, tonhaltige Stoffgemisch wird im Kalzinierungsstroms unter unterstöchiometrischen Bedingungen in Bezug auf den Sauerstoffgehalt kalziniert und anschließend ein kalziniertes Stoffgemisch erhalten. Der Ausdruck „unterstöchiometrischen Bedingungen in Bezug auf den Sauerstoffgehalt“ umfasst im Sinne der Erfindung bevorzugt zum einen Kalzinierungsbedingungen mit einem Sauerstoffgehalt welcher nicht ausreicht, um eine vollständige Oxidation der Tonmineralien zu ermöglichen und zum anderen eine Kalzinierung unter auch reduzierenden Bedingungen. Im Sinne der Erfindung können beide Reaktionsbedingungen nebeneinander vorliegen. Bevorzugt umfasst die Kalzinierung keine separate Oxidiationsreaktion unter überstöchiometrischen Sauerstoffüberschuss. Die „unterstöchiometrischen Bedingungen in Bezug auf den Sauerstoffgehalt“ umfassen bevorzugt eine Luftzahl (Lambda) kleiner 1. Das erhaltene kalzinierte mineralische Gemisch kann einen Teil des Klinkers im Zement ersetzten. Aufgrund der erfindungsgemäßen Verfahrensführung lässt sich die Farbe des Produkts verändern und der Ausstoß von Stickoxiden verringern.

Bevorzugt umfasst das mineralische, tonhaltige Stoffgemisch Schichtsilikate, Tone, Feldspäte, bevorzugt Kaolin, Metakaolinit, lllit, Al-Si- Spinelle, Montmorillonit, Mullit, Schamott, Bentonit, Smectit, Chrysotil, Chlorit und/oder Vermiculit und/oder Gemsiche davon.

In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das mineralische Stoffgemisch (1) 0,1 Gew. % bis 4 Gew. % Kohlenstoff. Überraschenderweise ermöglichen die voranstehend beschriebenen Kohlenstoffgehalte eine vorteilhafte Reduktion des im mineralischen Stoffgemisches enthaltenden Eisen. Dabei wird das (rote) Hämatit (Fe ₂ 0 ₃ ) in graues Magnetit (Fe ₃ 0 ₄ ) überführt. Magnetit verleiht dem Klinkerersatzstoff eine graue Farbe. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Kalzinierung mit einer Temperatur von 800 °C bis 1100 °C im Kalzinierungsstrom.

Bevorzugt erfolgt die Kalzinierung in einem Flugstromcalcinator.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist der der Flugstromcalcinator über ein Ventil regulierbar mit einem zusätzlichen Gasstrom verbunden. Über das Ventil kann der Sauerstoffgehalt und die Strömungsgeschwindigkeit individuell angepasst werden.

Bevorzugt weist der der zusätzliche Gasstrom einen Sauerstoffgehalt von 5 Vol. % bis 15 Vol. %, bevorzugt 7 Vol. % bis 12 Vol. % auf.

Weiterhin bevorzugt umfasst der zusätzliche Gasstrom rezirkulierte Luft umfasst, bevorzugt rezirkulierte Luft aus einer Filteranlage.

In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der der zusätzliche Gasstrom in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt im Flugstromcalcinator geregelt. Besonders bevorzugt wird der Sauerstoffgehalt über eine Sauerstoffsonde im Flugstromcalcinator gemessen. Der Ausdruck „Sauerstoffsonde“ umfasst im Sinne der Erfindung bevorzugt Lambda-Sonden und/oder dotierte Zr0 ₂ - Sonden. Der 0 ₂ -Partialdruck lässt sich bevorzugt über die Nernst’sche Gleichung bestimmen. Über eine Einrichtung zur Datenverarbeitung, welche mit der Sauerstoffsonde verbunden ist, wird der zusätzliche Gasstrom, beispielsweise über ansteuerbare Ventile und Pumpen, gesteuert.

Bevorzugt wird das mineralischen Stoffgemisches in einem Zyklonvorwärmer vorgewärmt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Kalzinierung ohne einen zusätzlichen Schritt mit stöchiometrischen oder überstöchiometrischen Sauerstoffanteil. Die Vermeidung dieser Schritte vermindert den Ausstoß von Stickoxiden.

Bevorzugt wird das mineralischen Stoffgemisches vor der Kalzinierung vorgewärmt, besonders bevorzugt im Zyklonvorwärmer vorgewärmt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die die Kalzinierung im Gleichstrom. Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Beispiels näher erläutert. Das Beispiel schränkt die Erfindung nicht ein.

In einer Simulation wurde der Kohlendixodausstoß bei der Herstellung einer Tonne Portlandzementklinker und der Herstellung von einer Tonne kalzinierten Ton, bevorzugt Kaolin, gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren verglichen.

Tabelle 1 :

Aus der Tabelle 1 ist ersichtlich, dass die Herstellung von kalzinierten Kaolin über das erfindungsgemäße Verfahren die Kohlendioxidbildung etwa um den Faktor 4 absenkt. Zusätzlich ist mit 800 °C im Vergleich zu 1450 °C auch eine deutlich niedrigere Betriebstemperatur und damit Energieverbrauch erforderlich. Deutliche Absenkungen finden sich auch im Komposit-Zement.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figur näher erläutert. Die Figur schränkt die Erfindung nicht ein. Die Figur ist nicht maßstabsgetreu.

Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung umfasst mindestens die folgenden Elemente. Ein Flugstromcalcinator 4 umfasst eine Produkteingangsöffnung 4a, eine Produktausgangsöffnung 4d zum Austragen des erzeugten kalzinierten Stoffgemisches 1b und eine Brenngasöffnung 4c. Die Produkteingangsöffnung 4a ist bevorzugt in Brenngasstromrichtung oberhalb der Brenngasöffnung 4c angeordnet. Diese Anordnung bewirkt, dass ein flugfähiges im Brenngasstrom mitführbarer mineralischen Stoffgemisch 1a (z.B. Tonmineralien) nach einer Vorwärmung in Vorwärmstufen, z.B. Zyklonvorwärmer 9 vom Brenngasstrom bzw. Kalzinierungsstrom 2 durch den Flugstromcalcinator 4 geführt werden kann und innerhalb des Flugstromcalcinators 4 kalziniert wird. Eine Brennkammer 16 ist mit der Brenngasöffnung 12a und einer Verbrennungsgaszuführung 12b (beispielsweise für Luft oder Luftgemische mit variierenden Sauerstoffanteil) und einer Brennstoffzuführung 13 verbunden. Ventile 6 ermöglichen eine Regulierung der Verbrennungsgaszuführung 12b. Die Brennkammer 16 umfasst des Weiteren eine Rostfeuerung 3. Die Rostfeuerung 3 ermöglicht eine Verbrennung und Nutzung fester, flüssiger und auch hochviskoser Brennstoffe bzw. brennbare Abfallstoffe. Eine Rückstandsöffnung 4b ermöglicht die Entfernung der nicht brennbaren Brennstoffreste. Über einen Zündbrenner 14 mit Brennstoff-Zuleitung 15 wird der in der Brennkammer 16 befindliche Brennstoff entzündet. Weiterhin ist eine Produktzuführungsleitung 8 mit der Produkteingangsöffnung 4a verbunden. Ergänzend ist eine Luftzuleitung 7 für einen zusätzlichen Gasstrom 5 vorgesehen, wobei die Luftzuleitung 7 über mindestens ein Ventil 6 mit dem Flugstromcalcinator 4 und/oder der Rostfeuerung verbunden ist. Über die Luftzuleitung 7 und gegebenenfalls angeschlossenen Gebläse 17 lässt sich der Sauerstoffanteil im Flugstromcalcinator 4 über das Ventil 6 regeln und steuern. Optional ist noch eine Sauerstoffsonde 10 und eine nicht gezeigte Einrichtung zur Datenverarbeitung 11 mit umfasst.

In Figur 2 und Figur 3 sind zwei weitere erfindungsgemäße Vorrichtungen dargestellt. Figur 2 zeigt eine Ausführungsform mit einem Flugstromcalcinator 109a und Figur 3 eine Ausführungsform mit einem Drehrohrofen 109b.

In beiden Ausführungsformen wird zunächst ein erster Brennstoff, beispielsweise in Luft verwirbelter Kohlestaub, über einer erste Brennstoffzuführvorrichtung 101 in die erste Brennkammer 102 eingeleitet und dort verbrannt. Die entstehenden heißen Gase werden über eine erste Verbindung in die zweite Brennkammer 105 geleitet. Dort wird über eine zweite Brennstoffzuführvorrichtung 104, beispielsweise eine Schnecke, der Ersatzbrennstoff der zweiten Brennkammer 105 zugeführt und auf einem hier treppenförmigen Rost verbrannt. Hierdurch wird die Asche des zweiten Brennstoffs zum Ascheaustrag 106 gefördert und ausgeschleust. Um die Verbrennung des zweiten Brennstoffs in der zweiten Brennkammer 105 zu verbessern, weist die zweite Brennkammer 105 eine zweite Sauerstoffzuführvorrichtung 103 auf. Die heißen Gase aus der zweiten Brennkammer 105 über eine zweite Verbindung in den Reaktor 109a, 109b geleitet.

In der ersten Ausführungsform der Figur 2 ist der Reaktor ein Flugstromcalcinator 109a. Der Flugstromcalcinator 109a weist eine dritte Brennstoffzuführvorrichtung 107 und eine Eduktzufürhung 108 auf. Der Prozess wird so geregelt, dass der dritte BRennstoff in dem Flugstromcalcinator 109a in einer unterstöchiometrischen Verbrennung umgesetzt wird und es damit zu einer reduzierenden Atmosphäre kommt. Nach dem Flugstromcalcinator 109 wird das Produkt in einem Zyklon 110 abgetrennt und durch die Produktausführung 111 entnommen, während die heißen Gase durch die Abgasleitung 112 beispielsweise einem Vorwärmer zugeführt werden. In dieser Ausführungsform werden Edukt und heiße Gase in Gleichstrom geführt. In der zweiten Ausführungsform der Figur 3 ist der Reaktor ein Drehrohrofen 109b. In dieser Ausführungsform werden Edukt und heiße Gase im Gegenstrom geführt, was einen wesentlichen Unterschied zu ersten Ausführungsform der Figur 2 ausmacht. Die Eduktzuführung 108 ist am der zweiten Verbindung gegenüberliegenden Ende des Drehrohrofens 109b angeordnet. An dieser Seite befindet sich auch die Abgasleitung 112, durch die die heißen Gase in eine Calcinator und oder einen Vorwärmer geleitet werden können. Die dritte Brennstoffzuführvorrichtung 107 ist neben der dritten Verbindung angeordnet und somit an der gleichen Seite des Drehrohrofens 109b wie die Produktausführung 111.

Bezugszeichenliste

1a mineralisches Stoffgemisch

1b kalziniertes Stoffgemisch

2 Kalzinierungsstrom

3 Rostfeuerung

4 Flugstromcalcinator

4a Produkteingangsöffnung

4b Rückstandsöffnung

4c Brenngasöffnung

4d Produktausgangsöffnung

5 zusätzlicher Gasstrom

6 Ventil

7 Luftzuleitung

8 Produktzuführungsleitung

9 Vorwärmstufen

10 Sauerstoffsonde

11 Einrichtung zur Datenverarbeitung

12a Brenngasöffnung

12b Verbrennungsgaszuführung

13 Brennstoffzuführung

14 Zündbrenner

15 Brennstoff -Zuleitung

16 Brennkammer

17 Gebläse

101 erste Brennstoffzuführvorrichtung

102 erste Brennkammer

103 zweite Sauerstoffzuführvorrichtung

104 zweite Brennstoffzuführvorrichtung

105 zweite Brennkammer

106 Ascheaustrag

107 dritte Brennstoffzuführvorrichtung

108 Eduktzuführung

109a Flugstromcalcinator

109b Drehrohrofen

110 Zyklon 111 Produktausführung

112 Abgasleitung