Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Einfluss der Art des Festbrennstoffes und der Prozessbedingungen auf die Qualität sowie den Energieverbrauch beim Brennen von Kalk in mischgefeuerten Normalschachtöfen

Der mischgefeuerte Kalkschachtofen ist der dominierende Ofentyp der Kalk-, Soda- und Zuckerindustrie. Als Brennstoff werden stückige Kokse und Anthrazite mit dem Kalkstein gemischt und dem Ofen von oben zugeführt. Von unten strömt Luft durch die Schüttung. Der Prozess soll von der FSt 1 mathematisch beschrieben, analysiert und simuliert werden. Dazu muss der komplexe Reaktionsmechanismus der Kokse empirisch untersucht werden. Um das Koksstück bildet sich eine stabile Ascheschicht aus. Von der FSt 2 wird ein Laborofen umgebaut, um mit CARS die Konzentration des aus den Poren strömenden CO messen zu können. Weiterhin wird die Oberfläche mit thermografischen Phosphorpartikeln geimpft. Nach Anregung durch einen Laser kann die Oberflächentemperatur aus der Lumineszenz der Partikel bestimmt werden. Damit kann die Wärmeleitfähigkeit der Asche, daraus wiederum die Kerntemperatur und die Reaktionskinetik bestimmt werden.

Das Ziel des Vorhabens besteht darin, den Einfluss der Art des Brennstoffs und der Korngrößenverteilung auf die Qualität des gebrannten Kalkes und die Senkung der CO-Emissionen (bis 6 %) und damit des Energieverbrauches zu modellieren. Der Nutzen für KmU liegt darin, dass die Brennstoffe gezielter nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten ausgewählt werden können. Man kann dann definierte Brennstoffmischungen nach Herkunft der Kohle und Korngrößenverteilung herstellen. Die Prozessbedingungen können hinsichtlich Brenntemperatur und damit Qualität des gebrannten Kalkes gezielter eingestellt werden. Es ist eine genauere Ausmauerung des Futters möglich. Dadurch kann die Standzeit des Futters verlängert werden. Im PA sind daher Firmen (insgesamt 20) aus der Kalkproduktion, dem Ofenbau und dem Feuerfest Engineering beteiligt. Direkt nach Abschluss des Vorhabens können die Firmen ihren Ofenprozess simulieren. Die Ergebnisse können somit direkt umgesetzt werden.

Ergebniszusammenfassung:

Durch die im AiF Forschungsvorhaben erfolgreich durchgeführten Simulationen und Berechnungen zu den Prozessbedingungen in Normalschachtöfen und den damit verbundenen Einflüssen auf die Produktqualität und den Energieverbrauch beim Brennen von Kalk, kann die hauptsächlich mittelständisch geprägte deutsche Kalkindustrie effizienter und wirtschaftlicher produzieren.

Das Modell besteht im Wesentlichen aus einem System von gewöhnlichen Differenzialgleichungen, die auf Energie- und Massenbilanzen beruhen, gekoppelt mit diskreten Zersetzungsmodell basierend auf dem Kern-Schale-Modell und zwei Verbrennungsmodelle basierend auf dem Kern-Schale-Modell und dem Porenmodell. Somit wurden die axialen Temperaturprofile des Gases, die Oberflächen- und Kerntemperaturen von Stein und Koks, die Kalksteinzersetzung und der Umwandlungsgrad von Koks berechnet. Auf dieser Grundlage wird der spezifische Energiebedarf, der verbleibende CO2-Gehalt, die Austrittstemperatur des Kalks, die Temperatur des Rauchgases, der Druckabfall und die Wärmeverluste durch die Wand berechnet.

Mit dem Modell kann simuliert werden, wie die Art des Kokses, wie die Korngrößenverteilung von Koks und Kalkstein, der Durchsatz des Kalkes, die Luftmenge (Luftzahl), die Energiezufuhr (Koksmenge), die Art des Kalksteins und die Ofengeometrie (Durchmesser, Schüttbetthöhe, Wandaufbau) die Kalksteinzersetzung und die Temperaturen im Ofen und damit die Qualität des Kalkes beeinflussen.

Das Modell/Die Software steht den Firmen (hauptsächliche KMU) zur Optimierung ihrer Prozesse zur Verfügung. Durch zukünftige Optimierungen an Normalschachtöfen werden bei Umbauten auch kleine- und mittelständische Anlagenbauer profitieren.