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Lehrstuhl für Gesteinshüttenkunde

Forschungsthemen

06.09.2011

Thermochemische und thermokinetische Prozesssimulation

Vorhersage der chemischen Belastung von Feuerfestbaustoffen in Zementdrehrohröfen mit Hilfe von Prozesssimulation

 

 

Der Verschleiß von Feuerfestprodukten in Zementdrehrohröfen wird durch eine Vielzahl von Einflussgrößen bestimmt, die zu einer chemischen, mechanischen und thermischen Belastung führen

Siehe: Melt corrosion of refractories in metallurgical vessels. Hier soll nur der chemische Aspekt – vor allem aber der Einfluss von Alkalisalzen (Sulfate, Chloride) – untersucht werden.

Eine entscheidende Einflussgröße auf den Verschleiß von Feuerfestprodukten im Zementdrehrohrofen ist der Sulfatisierungsgrad SG, ausgedrückt als das molare Verhältnis von Sulfat und Chlor zu den Alkalien:

In Abhängigkeit des Sulfatisierungsgrades kann es zu folgenden Verschleißmechanismen kommen:

  • Bei einem SG > 1 ist bei basischen Feuerfestprodukten eine Sulfatkorrosion des Kalkanteiles der Bindephase – vorrangig Dicalciumsilikat (C2S) – zu erwarten.
  • Bei einem SG < 1 kann es im Fall von Magnesia-Chromit Baustoffen zur Bildung von Alkalichromatsulfaten kommen, was zu einer Korrosion der Chromitkomponente führt.
  • Für den Fall eines SG = 1 kann von einer chemisch inerten Salzinfiltration ausgegangen werden. Allerdings dringt die Salzschmelze in den feuerfesten Baustoff ein und füllt die Porenräume bis zur Erstarrungsfront. Beim Abkühlen der Feuerfestausmauerung im Falle eines Ofenstillstandes verhalten sich infiltrierte Teile deutlich spröder und es kann zu einer Abplatzung von Feuerfestmaterial an der Grenze zwischen infiltriertem und nicht infiltriertem Teil kommen.

Die Anreicherung der Alkalisalze im Ofensystem erfolgt durch die Interaktion eines Verdampfungs- und Kondensationsprozesses zwischen dem Brenngut und der Ofenatmosphäre. Die Infiltration der Salze in das Feuerfestmaterial erfolgt durch Kondensation aus der Gasphase. Die oben dargestellten Gesichtspunkte verdeutlichen, dass es von großer Bedeutung ist, diese Prozesse zu kontrollieren und ihren Einfluss auf Alkalimenge und Zusammensetzung der kondensierten Alkalisalze zu kennen.

In vielen Fällen ist es wünschenswert, den chemischen Angriff auf die Feuerfestprodukte durch Alkalisalze in Abhängigkeit von Prozessparametern vorhersagen zu können. Heutzutage spielt vor allem die Verwendung von alternativen Brennstoffen eine herausragende Rolle. Beispielsweise kann es bei der Verwendung von Petrolkoks zu einer signifikanten Erhöhung der Schwefeleinträge kommen; Kunststoff beinhaltet oftmals große Mengen an Chlor. Eine Vorhersage der Kreislaufbildung durch eine veränderte Brennstoffzusammensetzung kann unter anderem dazu beitragen, die Auswahl der Feuerfestmaterialen zu erleichtern sowie den Einfluss der Prozesstechnologie auf den Verschleiß abzuschätzen.

Um dieses Ziel zu erreichen wird die Kreislaufbildung im Zementdrehrohrofen mit Hilfe der Prozesssimulation vorhergesagt. Dabei kommen kommerzielle Softwarepakete wie FactSage™, SimuSage™ und Borland Delphi™ zum Einsatz. Für das Prozessmodell werden elementare Prozessschritte (z.B.: Wärmetauscherstufe oder Kalzinator) als Reaktoren definiert. Der Drehrohrofen wird entlang seiner Achse in mehrere Teile diskretisiert, die wiederum durch Reaktoren abgebildet werden. Jedem Reaktor liegen Bilanzgleichungen zugrunde, welche die Berechnung des chemischen Gleichgewichtes ermöglichen. Die Gleichungen aller Reaktoren resultieren in einem nicht-linearen Gleichungssystem, welches mit Hilfe einer iterativen Methode gelöst wird. In Kombination mit einer thermischen Simulation der Ofenwand kann dann die Infiltration von Alkalisalzen in das Feuerfestmaterial berechnet werden.

In Zukunft soll ein benutzerfreundliches Interface die Simulation unterschiedlicher Anlagen mit verschiedensten Eingangsstoffströmen und anschließender einfacher Auswertung ermöglichen.

Quellenangaben

Emler, R.; Harmuth, H.; Nievoll, J.: Prediction of the chemical loading of refractories in a cement rotary kiln by means of process simulation. - in: UNITECR '07 - Unified International Technical Conference on Refractories. (2007), S. 577 – 580.

Emler, R.; Harmuth, H.: Prediction of the chemical loading of refractories in cement rotary kilns by means of process simulation. - in: 9th Annual GTT-Technologies Workshop. (2007).