Verfahrenstechnische Optimierung der Zementklinkerproduktion unter Berücksichtigung des Bypasssystems

Uhlenbrock, Lisa GND

Der am Institut für Nichtmetallische Werkstoffe entwickelte innovative Low Profile Prozess stellt eine neue energetisch optimierte Prozessverschaltung dar, die eine Kopplung der Zementklinkerproduktion bei gleichzeitiger Erzeugung von elektrischer Energie ermöglicht. Der Kern dieser Arbeit ist die Untersuchung der Vorgänge zur Staubabscheidung und Energieeffizienz in der Hochtemperatur-Austauschstufe. Diese ist eine im Querstrom betriebene Klinkergranalienschüttung, die es erlaubt auch Prozessgas im Temperaturbereich über 900 °C zu entstauben. Dieser neue Heißgasfilter wird in einem Prozessmodell beschrieben, das die chemischen und physikalischen Effekte, die bei der der Staubabscheidung auftreten, umfasst. In Validierungsversuchen im Zementwerk wurden Versuchsreihen auf Grundlage eines Einzelparameterbestimmungskonzepts zur Abscheidung von Prozesstaub und dem Aufheizverhalten der Klinkergranalien in einer Versuchsanlage untersucht. Die Ergebnisse aus den Versuchen ließen sich anschließend mit Hilfe des Modells unter Anwendung einer stationären Klinkergranalienschüttung darstellen. Eine Erweiterung des Modells um den Austausch der belegten Granalienschichten erlaubt eine Berechnung der Vorgänge in der Hochtemperatur-Austauschstufe für den Rohgasstrom im Low Profile Prozess zwischen Calcinator und Abhitzekessel. Mit Hilfe des Modells werden Szenarioanalysen für verschiedene Schaltungen und Anlagenparameter untersucht. Angelehnt an die Prozessgasströme im Zementwerk werden verschiedene Gastemperaturen und Staubbeladungen zur Optimierung des Gesamtkonzeptes Low Profile Prozess betrachtet. Mit dem Modell kann die Staubabscheideleistung sowie die Heißgastemperatur berechnet werden. Den Modellrechnungen zufolge kann ausreichend elektrische Energie produziert werden, um mindestens die Hälfte der Grundlast eines Zementwerkes zu decken Als praxisnaher Verwendungsfall der Hochtemperatur-Austauschstufe wird der Einsatz im Gasbypass einer Zementklinkerproduktionsanlage untersucht. Bei dem Bypass handelt es sich um einen Teilgasstrom der Zementklinkerproduktionsanlage, was eine Ausführung als Pilotanlage möglich macht. Der Einsatz der Hochtemperatur-Austauschstufe als Heißgasfilter im Bypass zeigt ein erhebliches Potential zur effizienten Ausschleusung von Staub und Kreislaufkomponenten durch eine Temperaturverschaltung in der Schüttung. Dadurch kann zukünftig auch der Bypass-Wärmestrom, der heute verloren geht, genutzt werden, z.B. für die Dampferzeugung in einer Abwärmeverstromungsanlage.

The innovative low profile process developed at the Institute of Non-Metallic Materials represents a new energetically optimized process circuit that enables the coupling of cement clinker production with the simultaneous generation of electrical energy. The core of this work is the investigation of processes for dust separation and energy efficiency in the high-temperature dust separation step. This is a cross-flow clinker granulate bedding system that allows dust removal even from process gas in the temperature range above 900 °C. This new hot gas filter is described in a process model that includes the chemical and physical effects that occur during dust separation. In validation tests in the cement plant, test series based on a parameter determination concept for the separation of process dust and the heating behaviour of the clinker granules were investigated. The results of the tests could then be presented with the aid of the model using a stationary clinker granulate bed. An extension of the model to include the exchange of the coated granular layers allows a calculation of the processes in the hot gas filtration step for the raw gas flow in the low profile process between calciner and waste heat boiler. With the help of the model, scenario analyses for different circuits and plant parameters are investigated. Based on the process gas flows in the cement plant, different gas temperatures and dust loads are considered to optimize the overall concept of the low profile process. The model can be used to calculate the dust collection efficiency and the hot gas temperature. According to the model calculations, sufficient electrical energy can be produced to cover at least half of the basic load of a cement plant As a practical application of the high-temperature dust separation step, its use in the gas bypass of a cement clinker production plant is being investigated. The bypass is a partial gas flow of the cement clinker production plant, which makes a pilot plant design possible. The use of the high-temperature dust separation step as a hot gas filter in the bypass shows a considerable potential for the efficient removal of dust and circulation components by means of a temperature switch in the bulk material. This means that in future the bypass heat flow, which is lost today, can also be recovered, e.g. for steam generation in a waste heat power plant.

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Uhlenbrock, Lisa: Verfahrenstechnische Optimierung der Zementklinkerproduktion unter Berücksichtigung des Bypasssystems. Clausthal 2020.

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