Untersuchung des Einflusses der Korngrößenverteilung und der Betriebsbedingungen auf die Qualität und den Energieverbrauch beim Brennen von Kalk in Schachtöfen

Zur Herstellung von Kalk (CaO) wird der Rohstoff Kalkstein (CaCO3) unter Hitze zersetzt, wobei Kohlendioxid (CO2) abgespalten wird. Dieser Kalzinierungsprozess findet bei sehr hohen Temperaturen in einem Schachtofen statt. Der Kalkstein wird von oben in den Ofen eingefüllt und am unteren Ende wird der Kalk abgezogen. Heiße Gase fließen im Gegenstrom von unten nach oben und werden durch die Verbrennung von seitlich zugeführtem Brennstoff erhitzt. Damit wird der Ofen in die folgenden drei Zonen unterteilt: die Vorwärmzone, die Brennzone und die Kühlzone.

Mathematisch kann die chemische Reaktion durch eine Differentialgleichung für den Umsatzgrad beschrieben werden, die numerisch gelöst werden muss. Weiterhin gelten Energiebilanzgleichungen für die Solid- und Gastemperaturen, die den Wärme- und Massentransport beschreiben. Dies sind gekoppelte gewöhnliche Differentialgleichungen in einer räumlichen Variablen mit Anfangsbedingungen von verschiedenen Seiten des Ofens, wodurch ein System von Randwertproblemen gegeben ist.

In einem ersten Schritt wird eine monodisperse Verteilung der Kalksteine angenommen, um das allgemeine Verhalten des Prozesses zu beobachten und einen stabilen numerischen Code bereitzustellen. Hierbei wird auch der Einfluss des Wärmeverlustes durch die Wände und die axiale Wärmeleitung berücksichtigt. Diese Informationen fließen dann in die Simulation des Prozesses mit einer Korngrößenverteilung ein. Durch eine Vielzahl an Parametervariationen soll der Energieverbrauch optimiert werden.

Investigating the influence of the particle size distribution and operating conditions on the quality and energy consumption for lime burning in shaft kilns

For the production of quicklime (CaO) the raw material limestone (CaCO3) is decomposed by heating, splitting off carbon dioxide (CO2). This calcination
process takes place at very high temperatures in a shaft kiln. The limestone is fed into the top of the kiln and lime is drawn out of the bottom. Hot gases flow counter currently in an upward direction, heated by the combustion of fuel injected into the furnace. The kiln is then divided into three sections: the preheating zone, the burning zone and the cooling zone.

Mathematically, the chemical reaction can be described by a differential equation for the conversion degree which has to be solved numerically. Further there are energy balance equations for the solid and gas temperatures describing the heat and mass transfer. These are coupled ordinary differential equations
in one spatial variable with initial conditions from different sides of the kiln, what makes it a system of boundary value problems.

In a first step a monodisperse distribution of the limestone particles is assumed in order to see the general behavior of the process and to provide a stable numerical code. Here also the influence of the heat loss through the wall and the axial heat conduction are considered. After that this information is applied to the simulation of the process with a particle size distribution of the limestones. Through variations of parameters the energy consumption of the process should be optimized.