PROCESS FOR PRODUCING CEMENT CLINKERS

Abstract: 1. Process for producing cement clinkers, by which composed cement pipe powder of broken and milled raw stones is baked in a kiln, characterized in that the cement pope powder without the addition to a binding agent is pressed dry by means of specific amounts of pressure of 200 and more bar into casting with a gross density of at least 1.8 kg/dm**3, which thereafter are baked in a tunnel kiln, and that the castings are arranged in layers with spacings therebetween.

Description: Verfahren zum Herstellen von Zementklinker Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Zementklinker, bei dem aus einem aus gebrochenen und gemahlenen Rohgesteinen zusammengesetzten Zementrohmehl Formlinge hergestellt und in einem Ofen bis zur Sinterung erhitzt werden. Bei der Zementherstellung stellt das Klinkerbrennen bei Temperaturen von über 1400"C den wichtigsten Prozessschritt dar. Aus den Rohstoffen Kalk und Ton entsteht dabei ein synthetisches Produkt aus überwiegend Kalziumsilikatverbindungen, ferner Kalziumaluminat- und Kalzium aluminatferrit-Verbindungen. Dieses wird fein gemahlen und hat die Eigenschaft, mit Wasser abzubinden und unter Wasser beständig zu bleiben. Kernstück der Zementherstellung ist somit der Ofenbetrieb. Die ersten Zemente wurden in Schachtöfen gebrannt, wobei es sich hierbei mehr um hochhydraulische Kalke als um Zemente im heutigen Sinne handelte. Es wurden ähnliche Oefen wie auch zum Brennen von Kalk eingesetzt, die chargenweise betrieben wurden, wobei der Brennstoff und das Brenngut lagenweise eingebracht wurden. Es wurde ein Naturstein eingesetzt, dessen Bestandteile an Kalk und Ton der gewünschten Zusammensetzung entsprachen. Dieses Gesteinspaket besass im Schacht eine gute Gasdurchlässigkeit, und damit ergaben sich hohe Leistungen und ein störungsfreier Betrieb. Da jedoch derartige Gesteinsvorkommen an selbstgängigen Rohstoffen begrenzt waren, musste auf die Herstellung künstlicher Zementrohmischungen aus fein gemahlenem Kalkgestein und Ton übergegangen werden, wobei jedoch der Aufwand für die Homogenisierung des Rohmehls und das Stückigmachen desselben als Vorbereitung zum Brennen sehr beträchtlich war. Man übernahm hierbei bekannte Technologien, insbesondere aus dem Bereich der Z iegelherstellung. Einen Fortschritt bedeutete das Stückigmachen von Zementrohmehl mit Hilfe von Wasser auf einem Granulierteller, wobei der Feuchtigkeitsgehalt der Granalien im Mittel 12 bis 14 Gew.% betrug. Die ursprünglich diskontinuierlich betriebenen Oefen wurden durch kontinuierlich betriebene Schachtöfen abgelöst. Für den Betrieb des Schachtofens sind feste, gasarme Brennstoffe erforderlich. Bevorzugt eingesetzt werden Koks, Anthrazit oder auch Pechkohle, wobei der feste Brennstoff getrennt in den Granalien aufgegeben wird. Beim Brennen im Schachtofen treten insofern materialbedingte Besonderheiten auf, als die Granalien im Temperaturbereich oberhalb 1280 C schwinden und untereinander zusammensintern. Dadurch entsteht ein fester Klinkerblock, der sich oft von der Ofenwand absetzt; es entstehen dadurch Durchzüge für die Rauchgase, die die Ursache für einen ungleichmässigen Brand sind. Die Tages leistung eines modernen Zementschachtofens beträgt ca. 200 t bei einem Ofendurchmesser von 3 m und einer Schachthöhe von ca. 10 m. Der Wärmeverbrauch im Schachtofen ist als günstig zu bezeichnen, er liegt bei etwa 800 kcal/kg Klinker. Als Vorteile weist der Schachtofen geringe Investitionskosten und eine einfache Bedienung bei hoher Verfügbarkeit auf. Nachteilig ist jedoch, dass ein gleichmässiger Klinkerbrand nicht gewährleistet ist. Für hochwertige Produkte, z.B. für Spannbeton oder in Betonwarenfabriken, wo es auf exakte Ausschalzeiten ankommt, kann Schachtofenklinker nicht eingesetzt werden. Zudem werden zum Brennen gasarme, feste Brennstoffe benötigt; eine Befeuerung mit flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen ist bislang nicht gelungen. Ein anderes Brennaggregat für die Herstellung von Portlandzement ist der Ringofen, der zunächst für die Herstellung von Ziegelsteinen, dann aber auch für die Portlandzementherstellung eingesetzt wurde. Dieser arbeitet kontinuierlich mit wandernder Brennzone und feststehender Brenngutcharge, wobei Zementformlinge wie Ziegel eingebracht wurden. Im Ofenumfang sind in regelmässigem Abstand Türen zum Chargieren und Entleeren der einzelnen Ofenabschnitte angeordnet, die während des Brennens zugemauert sind. Die Zementfqrmlinge wurden in dem Ofen so hoch erhitzt, dass sie nach dem Brand als gebrannte Backsteine dem Ofen entnommen werden können. Zum Verdichten der Rohlinge wurden vorzugsweise Schlagstempelpressen mit zwei Formen eingesetzt. Zum Brennen von Zement sind die Ringöfen, vor allem wegen des hohen Arbeitsaufwandes für das Chargieren und Entleeren des Ofens bei unangenehmen Arbeitsbedingungen und wegen der hohen Temperaturwechselbeanspruchung des Mauerwerks, durch die Drerrohröfen abgelöst worden, die das wichtigste Brennaggregat in der Zementindustrie geworden sind und heute fast ausschliesslich angewendet werden. Zunächst wurde das Brenngut als Schlamm aufgegeben, wobei ein Stückigmachen des Brenngutes vor dem Einsatz in den Ofen nicht mehr erforderlich war. Heute wird das Rohmehl, d.h. ein trockenes Pulver, für das Brennen verwendet. Beider weiteren Entwicklung wurde der Drehrohrofen mit einem Zyklonvorwärmer, auch Schwebegaswärmetauscher genannt, versehen, wobei auch hier das Rohmehl ohne Anfeuchten als Pulver dem Ofensystem aufgegeben wird. Das Rohmehl wird in meist vier Temperatur sprüngen innerhalb von 25 Sek auf ca. 750"C bis 800es erwärmt und wird bei etwa 20% entsäuert. Lag beim Nassdrehrohrofen der Wärmeverbrauch bei ca. 1500 kcal/kg Klinker, sank er beim Trockendrehrohrofen auf ca. 1200 kcal/kg Klinker und liegt beim Ofen mit Schwebegaswärmetauscher bei etwa 770 kcal/kg Klinker, wobei dieser Wert bei kleineren Anlagen etwas höher und bei Grossanlagen etwas niedriger ist. Die Vorteile des Drehrohrofens mit Wärmetauscher liegen in seinem geringen Wärmeverbrauch, einem schnellen, fast idealen Wärmeübergang vom Rauchgas auf das Brenngut im Temperaturbereich bis 8000C, im Einsatz von festen, flüssigen und gasförmigen Brennstoffen, seiner hohen Produktionsleistung und hohen Verfügbarkeit. Der wesentliche Nachteil des Drehrohrofens besteht darin, dass eine kostengünstige Produktion nur noch mit Grossanlagen möglich ist. Weitere Brennaggregate für die Zementherstellung, z.B. das Sinterband und der Wirbelschichtofen, konnten sich jedoch wegen anhaftender Mängel, vor allem im verfahrenstechnischen Bereich, nicht durchsetzen. Aufgrund der hohen Zementnachfrage in Industrieländern und der sehr hohen Zementverbrauchsdichte in diesen Ländern wird heute fast nur noch der Trockendrehrohrofen eingesetzt, wobei die Variationen sich lediglich auf die Art der Vorerwärmung - Zyklonvorwärmer mit oder ohne Zusatzbeheizung und die Art der Klinkerkühlung - Planetenkühler, Rostkühler, Schachtkühler - beschränken. Hierbei wurde mit grosser Konsequenz eine Kostensenkung durch Erhöhung der Ofenleistung herbeigeführt. Letztere wurde von 300 t Tagesleistung im Jahre 1950 auf eine Tagensleistung von 5000 t bis 6000 t im Jahre 1980 gesteigert. Während bei einer Tagesproduktion von 500 t ein spezifischer Wärmeverbrauch von 870 Kcal/kg Klinker benötigt wird, ist dieser bei einer Anlage von 3000 t Tagesleitung 760 kcal/kg Klinker. Eine ähnliche Abnahme ergibt sich auch bei den Lohnstückkosten und bei den auf die Jahreskapazität bezogenen Gesamtinvestitionenskosten (spezifische Investitionskosten). Diese Zahlen zeigen eindrücklich, dass eine Grossanlage enorme Produktionskostenvorteile bietet, die jedoch nur gewahrt werden können, wenn durch eine entsprechende Nachfrage die Anlage gleichmässig über das gesamte Jahr ausgelastet wird und der Markt eine entsprechend hohe Zementverbrauchsdichte mit entsprechend kurzen Transportwegen aufweist, denn die Preisfestsetzung erfolgt unter Einrechnung der Transportkosten. Nun ist jedoch die Zementverbrauchsdichte in vielen Ländern der Welt wesentlich kleiner als in den Inaustrieländern, und zwar bis zu zwei Zehnerpotenzen. Das bedeutet, dass bei sonst gleichen Verhältnissen der Zement in diesen Ländern über einen wesentlich grösseren Transportradius abtransportiert werden muss. Beispielsweise beträgt der mittlere Absatzradius für eine Grossanlage von 3000 t in einem Industrieland wie die BRD etwa 40.km, in einem Entwicklungsland dagegen etwa 200 km. Dieser Unterschied zeigt deutlich, dass Grossanlagen für Länder mit geringer Zementverbrauchsdichte nicht geeignet sind. Hier setzt die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrundeliegt, ein Verfahren zur Herstellung von Portlandzementklinker so auszugestalten, dass damit wettbewerbsfähige Kleinanlagen gebaut werden können. Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass das Zementrohmehl brikettiert und anschliessend in einem Tunnelofen gebrannt wird, wobei die lagenweise aufgeschichteten Briketts zur Erzielung einer guten Durchflutung mit den Heizgasen mit Abstand angeordnet werden. Die Erfindung geht von der Ueberlegung aus, dass das Gesetz der Kostensenkung mit steigender Anlagengrösse durchbrochen werden kann, wobei zu berücksichtigen ist, dass die Ueberlegenheit von Grossanlagen bei der industriellen Produktion vornehmlich auf Stückkostenüberlegungen basiert. Stellen jedoch die Transportkosten einen wesentlichen erlösmindernden Faktor dar, können sich Kleinanlagen besonders dann durchsetzen, wenn durch eine anders artige Technologie die Anlagengrösse dem Marktpotential angepasst werden kann, wodurch sich günstigere Erstellungskosten auch bei Kleinanlagen ergeben. Diese andere Technologie ist durch das erfingungsgemässe Verfahren definiert, das auch für die Herstellung von Spezialzementen, z.B. Weisszementen, geeignet ist, die in wesentlich kleineren Mengen als Normalportlandzement benötigt werden. Nach den neueren Erkenntnissen über das Klinkerbrennen läuft die Mineralbildung im Brenngut in Abhängigkeit von der Brenntemperatur so ab, dass bereits 6000C das Kalziumkarbonat mit Sio2 zu C2S (2CaO. SiO2) und die Aluminatkomponente aus dem Ton mit dem Kalziumkarbonat zu Kalziumaluminat- und ferrit-Verbindungen unter Abgabe von C02 reagiert. In einem Drehrohrofen mit Zykhonvorwärmer kann dieser Effekt nicht ausgenützt werden, da die Reaktionspartner in der Gas/Feststoff-Suspension keinen Kontakt untereinander haben. Bei Drehrohröfen mit Zusatzbeheizung im Zyklon sind die Reaktionsteilchen sogar bis in den Temperaturbereich von 8500C bis 9000C isoliert. Eine Reaktionsumsetzung findet erst nach der Agglomeration im Drehrohrofen und da bei höheren Temperaturen statt. Dagegen können beim Brennen von Briketts in einem Tunnelofen die oben beschriebenen Reaktionen tatsächlich ablaufen. Hierbei geben die dabei entstehenden Neubildungen dem Brikett eine keramische Bindung. Freies CaO entsteht im Brikett erst bei einer Temperatur oberhalb von 900"C, wenn die Geschwindigkeit der Kalksteindissoziation grösser ist als die Kalkbindungsreaktionen. Die frühe C2S-Bi ldung und die Vielzahl der C2S-Kristalle, die dabei entstehen, wirken sich positiv auf den Sintervorgang und die Qualität des Fertigprodukts aus. Voraussetzung ist allerdings, dass das Rohmehl genauso fein gemahlen wird wie für den Drehrohr ofenbetrieb. Das Brennen im Tunnelofen bietet somit Vorteile gegenüber dem Drehrohrofenbetrieb. Ab 12800C bildet sich die erste Schmelzphase, die mit einer starken Schrumpfung des Briketts verbunden ist. Bei einer normalen Portlandzementrohmischung beträgt im Mittel der Anteil der Schmelzphase 20%, lediglich bei Je 203 und A1203-reichhaltigen Rohstoffmischungen kann der Schmelzanteil auf maximal 308 anwachsen. Die Schmelze ist zähflüssig, so dass keine Probleme hinsichtlich der Standfestigkeit der Briketts in der Sinterzone entstehen. Ab 12800C bis 14500C bildet sich C3S (360.SiO2) über die Schmelzphase aus C2S und CaO. Im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Vorgänge liegt demnach die Sintertemperatur im Tunnelofen niedriger als im Drehrohrofen. Das Kühlen von 14500C auf 1250"C-kann auch im Tunnelofen mit der wünschenswerten Schnelligkeit (Sturzkühlung), d.h. innerhalb von etwa 30 Min., erfolgen, um einen Zement mit hohen Festigkeitswerten und normalem Erstarrungsverhalten zu erzeugen. Ebenso kann die Kühlung im Tunnelofen von 12000C auf ca. 2000C zur Verbesserung der Mahlbarkeit des Klinkers langsam erfolgen. Zweckmässig wird das Zementrohrzehl ohne Bindemittelzusatz trocken brikettiert, d.h. zu Formlingen gepresst, und gebrannt, wobei auch feste Brennstoffe beigemischt werden können. Der Feuchtegehalt beim Pressen beträgt zweckmässig O - 5%, siehe Ullmanns Enzyclopädie 4. Aufl. 1977, Bd 13, S. 719 betr. Verdichtung von Pulvern. Die Brikettierung, d.h. die Trockenverdichtung des Zementrohmehls kann zweckmässig zweistufig erfolgen. Dies kann entweder auf einer einzigen Pressvorrichtung ausgeführt werden, indem das Zementrohmehl zunächst vorverdichtet, der Pressdruck zur Entlüftung des vorverdichteten Presslings reduziert wird und der Pressling dann anschliessend endverdichtet wird, oder das Zementrohmehl wird in der ersten Verdichtungsstufe auf einer besonderen Maschine, z.B. Eierbrikettpresse, vorverdichtet und die Eierbriketts danach in einer zweiten Stufe auf einer Presse in die endgültige quaderförmige Steinform mit bestimmten Abmessungen gebracht. Für die Vorverdichtung können auch Maschinen eingesetzt werden, die sog. Schülpen erzeugen. Es handelt sich dabei um keine einheitlich gleichförmigen Presslinge, sondern um brettförmige bis etwa 10 mm dicke Platten, die auf eine gewünschte Grösse gebrochen und gesiebt werden müssen. Die Vorverdichtung dient dazu, die Luft aus dem Pulvergemisch zu entfernen, wodurch fehlerfreie, d.h. texturfreie, Presslinge erziehlt werden. Für die Endverdichtung sind spezifische Pressdrücke von mindestens 200 kp/cm2 anzuwenden. Beim Brennen kann der Tunnelofen zweckmässig beim Aufheizen und Sintern im Gegenstrom, beim Kühlen dagegen, insbesondere im Temperaturbereich von 145OOC bis 12500C, wahlweise im Gegen- oder Querstrom betrieben werden. Beispiel: Ofen für eine Klinkerproduktion von 260 tlTag. Gewählt wird ein Rohmohlforling mit einem Format von 240 x 115 x 115 mm. Dies gibt ein Volumen von 3,17 1 und 3 ein Gewicht von 5,7 kg Rohmehl (Dichte = 1,2 kg/dm - 3,75 kg gebrannter Klinker). Der gewählte Tunnelofen weist eine Breite von 4,0 m und eine Höhe von 1,31 m auf. Bei 70% Raumausnützung ergibt 3 dies 220 Steinelm Für die Auslegung des Tunnelofens wird ein Temperaturgradient von 120 K/h zugrundegelegt. Mit den Zeitabschnitten Aufheizen auf Zersetzungstemperatur des Kalksteins 8 Std. Entsäuerungszeit 8 Std. Sinterung . 2 Std. Kühlung 6 Std. ergibt dies eine Durchlaufzeit von 24 Std. Im Hinblick auf die im Tunnelofen zu erwartenden Temperaturunterschiede wird diese Zeit verdoppelt, so dass die Durchlaufzeit durch den Tunnelofen 48 Std. beträgt. Die Länge eines Tunnelofenwagens ist 2,50 m und die Vorschubgeschwindigkeit 2,5 m/Std. Mit einem Ofenquerschnitt von 2 5,24 m können pro Meter 1153 Formlinge, entsprechend einer Menge von 4225 kg Klinker untergebracht werden. Mit der Vorschubgeschwindigkeit von 2,5 m/h beträgt die Klinkerproduktion 10,8 t/Std. oder 260 t/Tag. Die Länge des Tunnelofens ist rund 115 .n (120 m). Die Formlinge werden ohne Bindemittelzusatz auf einer, z.B. zweiseitig wirkenden Hydraulikpresse mit Pressdrücken bis 200 und mehr bar und mit einer Arbeitsgeschwindigkeit von 400 Takten/Std. hergestellt. Je Takt werden in zwei Reihen jeweils sechs Steine des Formates 240 x 115 x 115 mm 3 mit einer Rohdichte vom mindestens 1,8 kg/dm gepresst, so dass sich die Gesamtleistung auf 4800 Steine beläuft, das sind 27,7 t Rohmehl/Std. oder 18 t Klinker/Std. Bei 21 Stunden täglicher Betriebszeit ergibt dies eine Leistung von 378 t Klinker. Eine Vergrösserung des Steinformats auf 300 mm Länge würde eine Leistung von sogar 475 t Klinker/24 Std. ergeben, was einer Tages leistung von 500 t Zement entspricht. Mit einer solchen Anlage ergeben die etwas höheren spezifischen Investitionskosten und die Personalkosten nur geringfügig höhere Produktionskosten als mit einer Grossanlage, doch ergibt sich gegenüber dieser in Gebieten mit geringerer Zementverbrauchsdichte ein spürbarer Kostenvorsprung.

Claims: Patentansprüche 1. Verfahren zum Herstellen von Zementklinker, bei dem ein aus gebrochenen und gemahlenen Rohgesteinen zusammenge setztes Zementrohmehl in einem Ofen gebrannt wird, da durch gekennzeichnet, dass das Zementrohmehl ohne Bindemittelzusatz trocken zu Formlingen gepresst wird und diese anschliessend in einem Tunnelofen gebrannt werden, wobei die lagenweise aufgeschichteten Formlinge zur Erzielung einer guten Durchflutung mit den Heiz gasen mit Abstand angeordnet werden. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Zementrohmehl vor dem Pressen der Formlinge feste Brennstoffe beigemischt werden. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Formlinge mit spezifischen Pressdrücken von 200 und mehr bar gepresst werden. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zementrohmehl auf zweiseitig wirkenden Pressen zu Formlingen gepresst wird. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Tunnelofen beim Aufheizen und Sintern im Gegenstrom, beim Kühlen, insbesondere im Temperatur bereich von 14500C bis 12500C wahlweise im Querstrom oder im Gegenstrom betrieben wird. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klinkermineralbildung aus Festkörperreak tionen durch die Verwendung von Briketts mit einer 3 Rohdichte von mindestens 1,8 kg/dm3 verstärkt wird.

Inventors: FUSSL, ERWIN, Füssl, Erwin
Applicants: MAERZ OFENBAU AG
Application year: 1983
Main classification: C04B7
IPC codes: F27B9, B28B3, C04B7