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DLR_Zement-Brennofen

Blick in den noch glühenden Drehrohrofen mit Zementrohmehl. Aller Abb.: © DLR(CC-BY 3.0).

Kalzinierung – ein thermischer Prozess

Die Hauptabnehmer für eine derartige Technologie wären die Branntkalk-, Phosphat- und vor allem die Zementindustrie. Alle drei Anwendungsbereiche sind große Industriezweige, in denen die Kalzinierung der Rohstoffe essentiell ist. Die größte Industrie, die die Kalzinierung betreibt, ist die Zementindustrie. Dafür werden zwei Drittel der im Prozess eingesetzten Brennstoffe verbraucht. Zement ergibt mit Wasser gemischt den Baustoff Beton, der nach Wasser das weltweit am zweithäufigsten verwendete Gut ist. Aus diesem Grund ist diese Industrie für ca. 9 % der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich. Die Hälfte davon kommt dabei durch die Reaktion, die andere Hälfte durch den Einsatz der Brennstoffe zustande. Durch das Wachstum der Schwellenländer wird mit einem weiteren Anstieg der Zementbedarfs und damit der CO2-Emissionen gerechnet. Derzeit werden für die Kalzinierung nicht nur fossile Brennstoffe eingesetzt, sondern auch Abfälle und Reifen.

 

Erfolgreiche Tests belegen Eignung des Verfahrens

Die Tests des DLR im Zeitraum zwischen Dezember 2018 und Januar 2019 im Kölner Solarsimulator wurden abgeschlossen. Der rotierende Reaktor kann sowohl mit natürlichem als auch mit künstlichem Licht betrieben werden, jedoch entschieden sich die Forscher auf Grund der geringen Sonnenstunden im Winter für den Simulator: Es ist der Hauptzweck des Simulators, kontinuierliche Bedingungen zu haben und diese in den Prozess einzubringen. Nach der Charakterisierung und Optimierung des Reaktors unter diesen Bedingungen, ist es möglich, den Prozessverlauf mit wenigen Einstellungen in den Parametern an reale Bedingungen anzupassen, z. B. mit der Anpassung des Materialflusses. Diese Stellungnahme formulierte Gkiokchan Moumin, der zu diesem Projekt am Institut für Solarforschung seine Doktorarbeit schreibt.

Ziel der Kampagne war es, den zuverlässigen und mehrstündigen Betrieb des Reaktors über mehrere Tage verteilt zu demonstrieren. Das Rohmaterial wurde dazu im Drehrohrofen mit unterschiedlichen Flussraten bis zu einer Temperatur von 1.000 ° C erhitzt - die Temperatur, bei der die entscheidende chemische Reaktion einsetzt. Dabei gelang es den Wissenschaftlern, kalziniertes Zementrohmehl in derselben Produktqualität herzustellen wie es mit konventionellen Reaktoren möglich ist.

Laut Moumin war die Handhabung mit dem Material dabei die größte Herausforderung. Es wurde sehr feines Zementrohmehl verarbeitetet, das als Ausgangsmaterial der Produktion gilt. Die Fließfähigkeit dieses Materials ist sehr begrenzt, und es bei 1.000 ° C zu verarbeiten, ist schwer. Durch das Mehl erzeugter Staub muss ebenfalls berücksichtigt und minimiert werden.

 

Prozesskonzeption ist bestätigt

Zuvor wurde in ersten Tests im Rahmen des SOLPART-Projekts gezeigt, dass sich der Drehrohrofen als ein sehr robuster Reaktor erwies, mit dem es möglich war und ist, Partikel verschiedener Größen zuverlässig auf eine beliebige Temperatur bis zu 1.100 ° C zu erhitzen. Es zeigte sich bereits ein breites Anwendungsspektrum für den Einsatz konzentrierter Solarenergie für verschiedene chemische Prozesse.

Nachhaltige Zementproduktion

 

Kann Solarenergie die fossilen Energieträger ablösen? Diese für viele Prozesstechniken wichtige Frage veranlasste das DLR-Institut für Solare Verfahrenstechnik, im Rahmen des SOLPART-Projekts den Einsatz der Solarenergie statt konventioneller Energieformen bei der Zementherstellung zu erproben.

 

Solarforscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben für den Produktionsprozess von Zement untersucht, wie Solarenergie fossile Energieträger ersetzen kann. Die Zielsetzung war dabei:

• Solarisierung des Kalzinierungsprozesses soll CO2-Emissionen in der Zementproduktion minimieren;

• Drehrohrofen wurde erfolgreich im Solarsimulator am DLR-Institut für Solarforschung in Köln getestet;

• Anwendung in Südeuropa und Schwellenländern möglich;

• Schwerpunkte: Energie, Solarforschung, Zementproduktion.

Dazu wurde im Solarsimulator am DLR-Institut für Solarforschung in Köln der erste Schritt der Herstellung, die Kalzinierung von Zementrohmehl, in einem Drehrohrofen erfolgreich getestet. Zement ist eines der am häufigsten verwendeten Güter weltweit. Die Zement-Produktion erfordert hohe Temperaturen, die überwiegend durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt werden. Eine »Solarisierung« dieses Prozesses würde somit einen wichtigen Beitrag zur Reduktion von globalen Emissionen bewirken.

DLR_Zement-Drehofen
DLR_Zement-Solar-Simulator
DLR_Zement-Gkiokchan_Moumin_SF

Bild links oben: Der Drehrohrofen

Bild oben: Doktorand Gkiokchan Moumin bei der Parameter-Einstellung des Reaktors

Bild links: Der Solar-Simulator der Testanlage

Die Optimierung und Erweiterung dieses Reaktortyps könnte ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Einführung von Solarenergie für jegliche Hochtemperatur-Anwendung zur Herstellung von verarbeiteten Partikeln sein und dies nicht nur in Europa: Der Betrieb ist nicht nur in Südeuropa, sondern auch in Entwicklungsländern denkbar, da der Zementbedarf lokal gedeckt werden muss und somit lange Transportrouten aus anderen Regionen nicht wirtschaftlich wären.

Das SOLPART-Projekt ist seit Anfang 2016 ein Gemeinschaftsprojekt, in dem zehn europäische Partnern aus Forschung und Industrie eingebunden sind. SOLPART wird durch Horizon 2020, einem Rahmenprogramm der Europäischen Union, ko-gefördert.

Quelle: DLR, Institut für Solarforschung, Solare Verfahrenstechnik: www.dlr.de

Bearbeitung: Wolfgang Klinker, Klinker@industry-focus.info

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