Schachtofen zur Calcinierung von Rohmehl zur Klinkerherstellung in der Zementindustrie - eine effiziente Technologie zur Aufkonzentration von CO₂ im Abgas

Die Abscheidung von CO₂ und dessen anschließende Nutzung sowie Speicherung sind wesentliche Bausteine der Dekarbonisierungsstrategie der Zementindustrie. Die Abscheidung von CO₂ aus dem Abgas der Ofenanlagen ist energieintensiv und aufwändig. Durch möglichst hohe CO₂-Konzentrationen im Abgas kann sie einfacher und effizienter erfolgen.

Die Vorwärmung und Calcinierung von brikettiertem Rohmehl (Bild 1) in einem mittels Oxyfuel-Technologie betriebenen Schachtofen mit CO₂-Rückführung bieten eine vielversprechende Möglichkeit, die CO₂-Konzentration im Abgas im Vergleich zu klassischen Drehofenanlagen deutlich zu erhöhen.

Rohmehl, das bis zu 5 % Wasser enthalten kann, wird mit 50 - 375 N/mm² verdichtet und zu Briketts geformt.

 
Ein moderner Gleichstrom-Gegenstrom-Regenerativ-Schachtofen (GGR-Ofen) besteht aus zwei verbundenen Schächten, die abwechselnd als Brennschacht oder Abgasschacht arbeiten (Bild 2). Sie sind durch einen Kanal miteinander verbunden. Im Brennschacht bewegen sich Heißgase und Brenngut im Gleichstrom nach unten, während sich im Abgasschacht das Brenngut abwärts bewegt und die heißen Gase im Gegenstrom aufsteigen. Bei Temperaturen zwischen 800 und 1200 °C wird der Kalkstein (CaCO₃) im Rohmehl im Schachtofen in gasförmiges Kohlendioxid (CO₂) und Calciumoxid (CaO) zersetzt. Beide Schächte wechseln in regelmäßigen Perioden von etwa 10 - 15 Minuten ihre Strömungsrichtung. Dadurch kann ein äußerst hoher thermischer Wirkungsgrad von über 80 % erreicht werden. Das Aufgabegut (Rohmehl) wird zur Verwendung im Schachtofen brikettiert, um eine Durchströmung des Brenngutes mit Brenn-/Kühlgasen zu gewährleisten.

Im Oxyfuel-Betrieb wird anstelle von Luft nahezu reiner Sauerstoff als Oxidationsmittel im GGR-Ofen verwendet. Dadurch erhöht sich die CO₂-Konzentration im Abgas des Ofens deutlich. Durch den Wegfall des Stickstoffanteils der Luft wird zudem das Abgasvolumen deutlich reduziert. Im konventionellen Drehofenbetrieb mit Luft liegt die CO₂-Konzentration bei etwa 20 Vol.-%, während beim mit Oxyfuel betriebenen Schachtofen mit CO₂-Rückführung Konzentrationen von über 90 bis 95 Vol.-% erreicht werden können. Der Schachtofen arbeitet im Überdruck, sodass ein Zutritt von Falschluft, über die unerwünschte Mengen an Stickstoff in das Abgas gelangen können, vermieden werden kann. Dies ist im Vergleich zu einer klassischen Drehofenanlage, die aufgrund des dort herrschenden leichten Unterdrucks eine Abdichtung erfordert, ein erheblicher Vorteil.  

Zudem bildet sich beim Betrieb des GGR-Ofens eine CO₂-Sperrschicht aus, die eine Vermischung von Kühlluft und Verbrennungsgasen verhindert und somit die Gastrennung im Oxyfuel-Prozess unterstützt.

Die Herstellung der Klinkerphasen erfolgt dann mit dem bereits im GGR-Ofen weitgehend calcinierten Material in einem separaten Brennprozess. Dieser kann mit elektrischer Energie oder mit Wasserstoff mit signifikant verringerten CO₂-Emissionen erfolgen.