Wie man die Energieeffizienz des Kalkverbrennungsprozesses berechnet

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Kurzbeschreibung

• Problem: Berechnung der Energieeffizienz des Kalkbrennprozesses
• Informationstyp: Grundlagen

Einleitung

Die Praxis des Brennens von Kalkstein zur Herstellung von Branntkalk ist fast so alt wie die Hügel selbst. In Bezug auf grundlegende Chemie und Materialien handelt es sich bei dem Prozess um die Umwandlung von Calciumcarbonat, CaCO₃, in das nützlichere Calciumoxid, CaO. Calciumoxid ist eine sehr reaktive Substanz. Tatsächlich ist sie so „lebendig“, dass sie üblicherweise hydratisiert (mit Wasser versetzt) wird, um Calciumhydroxid, Ca(OH)₂, zu bilden. Calciumhydroxid wird üblicherweise als hydratisierter oder gelöschter Kalk bezeichnet, manchmal einfach nur als Kalk – was verwirrend sein kann, da pulverisierter Kalkstein oft genauso genannt wird. Hydratisierter Kalk ist ein wesentlich handlicherer und leichter zu verwendender Stoff als Branntkalk. Branntkalk und hydratisierter Kalk haben eine sehr breite – und gut dokumentierte – Vielfalt an Anwendungen. Diese Umwandlung von Calciumcarbonat in Calciumoxid wird erreicht, indem der Kalkstein auf eine ausreichend hohe Temperatur (z. B. 1000 °C in einem Kalkofen) erhitzt wird, um Kohlendioxid, CO₂, „auszutreiben“. Die Gleichung für diesen Prozess mit den ungefähren Molekulargewichten lautet:

100 CaCO₃ + Wärme <==> 56 CaO + 44 CO₂

Arten von Kalkstein Calcit ist ein Kalkstein, der nur Calciumcarbonat, CaCO3, enthält. Es gibt weitere Arten von Kalkstein, die von Interesse sind. Dolomit hat die chemische Formel CaCO3.MgCO3, d. h. er ist eine „Mischung“ aus Calcium- und Magnesiumcarbonaten im molekularen Verhältnis 1:1. Dolomitische Kalksteine sind solche, die einen Anteil Dolomit enthalten. Ebenso können Branntkalk und hydratisierter Kalk neben Calcium- auch Oxide und Hydroxide von Magnesium enthalten.

Die Fortsetzung der Näherung für die Hydratation ergibt:

56 CaO + 18 H₂O <==> 74 Ca(OH)₂ + Wärme

In einfachen Worten: Wenn der Prozess mit 1 Tonne reinen Calciumcarbonat-Kalksteins durchgeführt würde, sollte er 560 kg Branntkalk erzeugen. Und wenn diesem Branntkalk 180 kg (ca. 180 Liter) Wasser zugesetzt würden, sollten 740 kg Calciumhydroxid entstehen. Einige Kalksteine sind dolomitisch, d. h. sie enthalten neben dem CaCO₃ (als Mineral Calcit) auch das Mineral Dolomit, CaCO₃MgCO₃. In der Regel sind reine calcitische Kalksteine vorzuziehen, Dolomit kann jedoch toleriert werden, sofern der Branntkalk vor der Verwendung gut gelöscht wird.

Abbildung 1: Ein traditioneller Kalkofen in Sudan @ Simon Croxton/Practical Action

Effizienz des Kalkbrennens

Kalkbrenner streben im Allgemeinen danach, aus ihrem Stein die höchstmögliche Qualität an Branntkalk zu erzeugen und gleichzeitig ihre Produktionskosten minimal zu halten. In den meisten Fällen ist der Brennstoff der bei weitem größte Kostenfaktor. Daher wird die Effizienz des Brennprozesses (im Gegensatz zum gesamten Produktionsprozess, der auch Arbeitskosten usw. umfasst) danach beurteilt, wie viel Brennstoff benötigt wird, um eine bestimmte Menge Branntkalk herzustellen. Ein Kalkbrenner könnte zum Beispiel sagen: „Ich habe X Tonnen Branntkalk mit Y Tonnen Kohle produziert, die mich Z Dollar gekostet haben.“ Um jedoch verschiedene Ofentypen mit unterschiedlichen Brennstoffen und unterschiedlicher Branntkalkqualität vergleichen zu können, ist ein universelleres Maß für die Effizienz erforderlich.

Abbildung 2: Ein verbesserter Schachtofen in Zimbabwe ©Kelvin Mason / Practical Action

Die Ofen- oder Brenneffizienz kann mit der von Robert Boynton, ehemaliger Direktor der National Lime Association in den USA, in seinem Buch „Chemistry and Technology of Lime and Limestone“ vorgeschlagenen Formel für die thermische Effizienz bestimmt und verglichen werden:
Mathematisch lässt sich dies durch folgende Effizienzgleichung darstellen: Wobei

E	=	Effizienz des Brennprozesses
Hc	=	Theoretischer Calcinationswärmebedarf pro Tonne für reinen Branntkalk (CaO + MgO) (MJ/t)
Ls	=	Verfügbarer Kalkgehalt (als CaO und MgO) des Branntkalks
Cf	=	Heizwert des Brennstoffs (MJ/kg)
Mf	=	Masse des verbrauchten Brennstoffs pro Tonne Branntkalk (kg/t)

NB: Achten Sie bei der Verwendung dieser Formel darauf, dass die Einheiten wie angegeben verwendet werden bzw. bei abweichenden Einheiten die mathematische Konsistenz gewahrt bleibt.

Erläuterung und Herleitung der Begriffe

Hc Für alle praktischen Zwecke kann dieser Wert mit 3.200 MJ/t CaO für reinen calcitischen Kalkstein angenommen werden. Für reinen Dolomitkalkstein liegt der Wert bei 3.020 MJ. Für „dolomitische“ Kalksteine lässt sich der Wert relativ einfach wie im folgenden Beispiel anpassen. Aus einer Untersuchung des Kalksteins wurde folgende chemische Analyse erhalten:

Tabelle 1: Chemische Analyse des Kalksteins (%)
Siliciumoxid, SiO2	2,03 %
Aluminiumoxid, Al2O3	0,67 %
Eisenoxid, Fe2O3	0,33 %
Calciumoxid, CaO	45,50 %
Magnesiumoxid, MgO	8,16 %
Schwefelsäureanhydrid, SO3	0,39 %
Glühverlust (bei 1.000 °C)	42,40 %

Eine Untersuchung des produzierten Branntkalks ergab folgendes Ergebnis:

Tabelle 2: Chemische Analyse des Branntkalks (%)
Siliciumoxid, SiO2	2,34 %
Aluminiumoxid, Al2O3	0,63 %
Eisenoxid, Fe2O3	0,35 %
Calciumoxid, CaO	68,40 %
Magnesiumoxid, MgO	17,8 %
Schwefelsäureanhydrid, SO3	0,25 %
Glühverlust (bei 1.000 °C)	9,80 %

Hc wird ermittelt, indem die für die Calcinierung des calcitischen Anteils des Kalksteins und die für die Calcinierung des dolomitischen Anteils benötigte Energie berechnet und diese beiden Werte addiert werden. Für den Kalkstein in unserem Beispiel zeigen die Calciumoxid- und Magnesiumoxidwerte (45,50 % bzw. 8,16 %) einen Anteil von 60,95 % Calcit und 37,32 % Dolomit an. Diese Werte werden mit Hilfe der Molekulargewichte von CaO, MgO, CaCO₃ und MgCO₃ ermittelt.⁽²⁾ Somit:

Hc = (3200 x 0,6095) + (3020 x 0,3732) = 3.078 MJ

Berechnung der Anteile von Calcit und Dolomit

Basierend auf der chemischen Analyse des Kalksteins in unserem Beispiel (CaO = 45,50 % und MgO = 8,16 %) geht diese Berechnung davon aus, dass alles Calcium und Magnesium als Carbonate vorliegt – während ein kleiner, wahrscheinlich vernachlässigbarer Anteil auch als Silicate etc. vorkommen kann. Zuerst bestimmen wir den Anteil Dolomit, CaCO₃.MgCO₃, aus dem MgO-Gehalt im Vergleich zum Prozentsatz in 100 % Dolomit.

Ein MgO-Gehalt von 8,16 % bedeutet, dass der Dolomitanteil wie folgt berechnet wird:

Nun bestimmen wir den Anteil des CaO, der durch diese Menge Dolomit gebunden wird:

Dann subtrahieren wir diesen Wert vom gesamten CaO, um den als CaCO₃ (Calcit) vorliegenden Anteil zu erhalten:

45,50 - 11,35 = 34,15 %

Der Anteil von CaCO₃ als Calcit im Kalkstein ergibt sich dann wie folgt:

34,15 × 100,09 / 56,08 = 60,95 %

American Society of Testing Materials ASTM Rapid Sugar Test (mit Salzsäure) Geräte 300-ml-Erlenmeyerkolben (ein konischer Kolben mit Volumenmarkierung). 100-ml-Bürette mit Ständer. Waage, die 0,85 g und 0,5 g auf 2 % genau wiegen kann. Sieb Nr. 100 (0,15 mm). CO2-freies destilliertes Wasser, falls verfügbar. Salzsäure (Dichte 1,18). Methylorange-Indikator. Phenolphthalein-Indikator. 15 g Saccharose (normaler Haushaltszucker ist ausreichend). Durchführung Dieses Verfahren ermöglicht eine halb-direkte Bestimmung des verfügbaren CaO. Es ist wichtig, dass die Probe während der Vorbereitung und Lagerung so wenig wie möglich der Atmosphäre ausgesetzt wird. Eine Standard-HCl-Lösung herstellen, die 15,7 ml HCl (Dichte 1,18) pro Liter CO2-freiem destilliertem Wasser enthält. Die Lösung wird gegen 0,85 g wasserfreies Na2CO3 mit Methylorange als Indikator eingestellt, sodass diese Menge genau 90 ml der Standard-HCl-Lösung neutralisiert. Bei Bedarf mehr Wasser hinzufügen, wenn zu stark, oder mehr Säure, wenn zu schwach. 0,5 g Kalk, der durch ein 100er-Sieb gegangen ist, in den 300-ml-Kolben mit 20 ml CO2-freiem destilliertem Wasser geben, Kolben verschließen. Schwenken und zwei Minuten zum Kochen erhitzen. 150 ml Wasser und mindestens 15 g Saccharose hinzufügen. Kolben verschließen und alle 5 Minuten schütteln. 30 bis 60 Minuten stehen lassen. Zwei Tropfen Phenolphthalein hinzufügen, Stopfen und Kolbenwände mit destilliertem Wasser abspülen und dann im ursprünglichen Kolben mit der Standard-HCl-Lösung titrieren. Etwa 90 % der geschätzten Säuremenge vor dem Schütteln zugeben und die Titration langsam fertigstellen, bis die rosa Farbe verschwindet. Ablesung notieren. Berechnung Ein Ablesewert von 1 ml an der Bürette entspricht 1 % verfügbarem CaO.

Somit beträgt der ungefähre Carbonatgehalt unseres Kalksteins 61 % Calcit und 37 % Dolomit. Da diese zusammen etwas über 98 % ergeben und die chemische Analyse weitere Bestandteile (Silica etc.) von 3,42 % enthält, ist der tatsächliche Gesamtcarbonatgehalt etwas niedriger, etwa 96 bis 97 %. Ls Der verfügbare Kalkgehalt (als CaO und MgO) des Branntkalks wird mit dem Rapid Sugar Test⁽³⁾ ermittelt. Dieser Test sollte unmittelbar nach dem Entnehmen des Branntkalks aus dem Ofen durchgeführt werden. Da Branntkalk sehr reaktiv ist, neigt er stark zur Carbonatisierung, und bei Verzögerung fällt der Ls-Wert geringer aus. Für unser Beispiel nehmen wir Ls = 0,60⁽⁴⁾ an. Cf Der Heizwert des Brennstoffs wird mit einem Kalorimeter bestimmt. Eine Universität oder ein kommerzielles Labor verfügt wahrscheinlich über die notwendigen Einrichtungen (Bombenkalorimeter). Falls nicht verfügbar, kann ein allgemeiner Richtwert für den jeweiligen Brennstoff verwendet werden⁽⁵⁾. Für unser Beispiel nehmen wir bituminöse Kohle mit einem Heizwert von 23 MJ/kg an⁽⁵⁾. Mf Die Masse des verbrauchten Brennstoffs pro Tonne produziertem Branntkalk muss über einen festgelegten Zeitraum sorgfältig erfasst werden. Bei einem Chargenprozess ist dies relativ einfach. Bei kontinuierlichen oder halb-kontinuierlichen Prozessen muss darauf geachtet werden, dass Brennstoffverbrauch und Branntkalkproduktion einander direkt entsprechen. Für unser Beispiel nehmen wir 200 kg Kohle pro Tonne Branntkalk an.

Tabelle 5: Ungefähre Umrechnung der Einheiten für den Heizwert
MJ/kg	kcal/kg	Btu/lb	kWh/t
1	239	430	278

Tabelle 4: Richtwerte für den Heizwert einiger gängiger Brennstoffe
Brennstoff	Heizwert (MJ/kg)
Kommerzielles Butan	58
Dieselkraftstoff	44
Schweres Heizöl	42
Holzkohle (2 % Feuchtigkeit)	29
Anthrazitkohle	33
Allgemeine Kohle (nicht backend)	23
Holz (15 % Feuchtigkeit)	15

Beispiel für die Effizienzberechnung

Nachdem alle Werte für die Gleichung vorliegen, können wir die Effizienz nun berechnen:

E = 0,4015 E ≈ 0,40 oder 40 %

Aus der Formel und dem gesunden Menschenverstand wird deutlich, dass Kalkbrenner für maximale Effizienz eine möglichst vollständige Umwandlung von Calciumcarbonat zu Calciumoxid bei minimalem Brennstoffeinsatz anstreben sollten. Allerdings kann die Minimierung des Brennstoffverbrauchs ohne Bewertung der Kalkqualität ein sehr falsches Bild der Effizienz ergeben. Ein Zielwert für die Effizienz liegt z. B. bei einem Schachtofen mit Zwangsbelüftung bei 50 %. Für die Überwachung eines Kalkbrennprozesses sind folgende wesentlichen Daten zu erfassen und zu berechnen: eine chemische Analyse des Kalksteins, der theoretische Calcinationswärmebedarf (Hc), der verfügbare Kalkgehalt (Ls) aus dem Rapid Sugar Test, der Heizwert des Brennstoffs (Cf) und die Brennstoffmasse pro Tonne Branntkalk (Mf).

Schlussfolgerung

Mit dieser Methodik möchte Practical Action sicherstellen, dass verschiedene Ofenkonstruktionen und Betriebsweisen hinsichtlich Energieverbrauch und letztlich Produktionskosten optimiert werden können. Dieser Ansatz wird keineswegs als endgültig oder unantastbar dargestellt; er soll vielmehr zur Diskussion anregen.

Tabelle 3: Molekulargewichte der Komponenten
Calcit, CaCO3	100,09
Dolomit, CaCO3·MgCO3	184,42
Calciumoxid, CaO	56,08
Magnesiumoxid, MgO	40,32
Eine genauere Berechnung des Anteils von calcitischem Kalkstein CaCO3 und Dolomit CaCO3·MgCO3, der zu CaO bzw. CaO + MgO umgewandelt wird, ist komplex und erfordert die Verwendung dieser Molekulargewichte.

Literatur und weiterführende Quellen

Dieser Howtopedia-Eintrag basiert auf dem Practical Action Technical Brief How to Calculate the Energy Efficiency of your Lime Burning Process.
Das Originaldokument finden Sie unter folgendem Link: http://www.practicalaction.org/?id=technical_briefs_energy

• Alternatives to Portland Cement: An Introduction Practical Action Technical Brief
• Hydraulic Lime: An Introduction Practical Action Technical Brief
• Methods of Testing Lime in The Field Practical Action Technical Brief
• Calculating The Energy Efficiency of Your Lime Burning Process Practical Action Technical Brief
• How to Build a Small Vertical Shaft Lime Kiln Practical Action Technical Brief
• Lime Kiln Design: Small & Medium Scale Oil Fired Lime Kilns Practical Action Technical Brief
• A Small Lime Kiln for Batch and Continuous Firing Practical Action Technical Brief
• The Small-scale Vertical Shaft Lime Kiln: A Practical Guide to Design, Construction and operation, Kelvin Mason, ITDG Publishing ISBN 1 85339 465 3, 1999
• Building with Lime: A Practical Introduction Staffrod Holmes & Michael Wingate, ITDG Publishing, ISBN 1 85339 384 3, 1997
• Use of Lime in Building, Holmes, S. and Wingate, M., IT Publications, London, 1992.
• Lime and Other Alternative Cements Neville Hill Stafford Holes David Mather, ITDG Publishing, ISBN 1 85339 178 6, 1992
• Small-scale Lime Burning: A Practical Introduction, Wingate, M. and others, IT Publications, London, 1985.
• Small Scale Production of Lime for Building, John Spiropoulos, GATE/GTZ, ISBN 3 528 02016 4, 1985
• Limes for Building, Advisory Leaflet No. 6, Property Services Agency, Department of the Environment, HMSO, London, 5. Aufl., 1976.
• The Chemistry of Cement and Concrete, Lea, P.M., Edward Arnold, London, 3. Aufl., 1970.

Nützliche Adressen

Practical Action The Schumacher Centre for Technology & Development, Bourton on Dunsmore, RUGBY, CV23 9QZ, United Kingdom.
Tel.: +44 (0) 1926 634400, Fax: +44 (0) 1926 634401 e-mail:practicalaction@practicalaction.org.uk web:www.practicalaction.org