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Verfahren zum Herstellen von Granalien Die Erfindung bezieht sich
auf ein Verfahren zum Brennen von Zement und Kalk im Schachtofen, das es ermöglicht,
den Vorgang im Ofen so zu beeinflussen, daß bei geringerem Kohlenverbrauch ein besserer
Klinker als mit den bisher bekannten Verfahren erzeugt wird. Außerdem kann bei dem
neuen Verfahren ohne Nachteil für das Erzeugnis eine billigere, aschenreiche Kohle
Verwendung finden.
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Bei Schachtöfen und Gasgeneratoren besteht - im Gegensatz zu Rostfeuerungen
und solchen Feuerungen, bei denen Kohle und Luft im Gleichstrom geführt werden -
der Nachteil, daß eine bessere Ausnutzung des Brennstoffes nicht durch stärkeres
Einblasen von Luft erreicht werden kann. Während bei den nach dem Gleichstromprinzip
arbeitenden Anlagen in einer Änderung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses durch stärkere
oder schwächere Luftzufuhr eine einfache Möglichkeit gegeben ist, nach Wunsch eine
oxydierende oder reduzierende Atmosphäre zu erzeugen, liegen die Verhältnisse bei
den nach dem Gegenstromprinzip arbeitenden Anlagen, auf die sich das Verfahren nach
der Erfindung bezieht, grundsätzlich anders.
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So durchwandert bei Schachtöfen das brennstoffhaltige, unter Wasserzusatz
granulierte Rohmehlgemisch von oben nach unten den Ofen, und die Luft wird im Gegenstrom
dazu von unten nach oben geblasen. Oberhalb der Brennzone ist stets Kohleüberschuß
vorhanden, also eine reduzierende Atmosphäre. Unterhalb der Brennzone herrscht eine
oxydierende Atmosphäre. Durch stärkeres Blasen gelingt es keinesfalls, sauerstoffhaltige
Abgase zu erzielen, wie man das von allen anderen Ofenanlagen gewohnt ist. Stärkeres
Blasen erzeugt vielmehr lediglich einen schnelleren Feuerfortschritt, denn im Gegensatz
zu den Gleichstromfeuerungen, bei denen die Verbrennungsgase heiß entweichen, wird
die Wärme der Verbrennungsgase fast voll wiedergewonnen und damit die frische Kohle
vorgewärmt. In dieser Vorwärmzone entsteht aber CO, und man hat sich bisher
damit abfinden müssen, kohleoxydreiche Abgase, also eine sehr unvollkommene Verbrennung
in Kauf zu nehmen.
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Für den Reaktionsablauf im Schachtofen sind zwei verwandte Reaktionen
maßgebend: 1. die Boudouardsche Gleichung C02+C=2 CO, 2. die Hauenschildsche Gleichung
CaC03+C=2 CO+Ca0.
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Wenn eine Granalie aus Rohmehl und Kohle in die Vorwärmzone gelangt,
wird sie von den heißen Verbrennungsgasen erhitzt. Die an ihrer Oberfläche sitzende
Kohle reagiert genau wie im Gasgenerator nach der Boudouardschen Gleichung. Es bildet
sich CO,
denn Sauerstoffüberschuß ist in dieser Zone nicht mehr vorhanden,
da auch eine stärkere Luftzufuhr lediglich eine beschleunigte Wanderung der Brennzone
nach oben, aber keinen Sauerstoffüberschuß in den Verbrennungsgasen zur Folge haben
könnte.
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Wenn die Granalie nun weiter von der Vorwärmzone in die tiefer gelegene
Brennzone gelangt, ändern sich die Verhältnisse. Aus der Granalienoberfläche ist
die Kohle herausgebrannt. Auch das Ca C 03 der Granalienoberfläche ist bereits entsäuert,
und die Oberflächentemperatur kann nach der Entsäuerung rasch ansteigen. Im Inneren
der Granalie steigt inzwischen die Temperatur so weit, daß dort die Hauenschildsche
Reaktion zum Ablauf kommt. Das entstehende C O strömt an die heiße Granalienoberfläche
und verbrennt dort mit dem in dieser Zone noch vorhandenen 02 zu C021 das dann in
der Vorwärmzone, wie oben beschrieben, teilweise wieder zu C O reduziert wird.
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Die Hauenschildsche Reaktion in der Brennzone kann quantitativ verlaufen,
sofern die Kohle fein gemahlen ist. Man hat früher verschiedentlich mit gemahlener
Kohle gebrannt, das Verfahren jedoch als unwirtschaftlich wieder verlassen. In Fachkreisen
gilt die Verwendung von gemahlener Kohle, der C O-Verluste wegen, als unwirtschaftlich.
So wird beispielsweise von Koch -A n s e 1 n ein sehr starker Rückgang des CO-Verlustes
durch Weglassen der Feinanteile unter 4mm berichtet (Anseln: Der Schachtofen 1952),
und S c h n i t t k e r berichtet im Schachtofen-Ausschuß des VDZ am 18. 6. 1953,
daß sich die Zumahlung von Kohle nicht bewährt habe und wieder verlassen worden
ist.
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Nach der Erfindung wird nun die Bildung von C O gemäß der Boudouardschen
Reaktion an der Granalienoberfläche dadurch verhindert und zugleich die Verwendung
feingemahlener Kohle mit deren verschiedenen, weiter unten angeführten Vorteilen
und ohne
CO-Verluste ermöglicht, daß zum Brennen Granalien einheitlicher
Korngröße aus Rohmehl und Kohle hergestellt und mit einer brennstofffreien Schale
einheitlicher Dicke, beispielsweise aus Rohmehl, überzogen werden, wobei im Kern
das Molverhältnis Kokskohlenstoff zu Rohmehlkohlensäure kleiner als Eins ist und
die Dicke der Schale in Abhängigkeit von der Lage der Feuerzone im Ofen jeweils
so bemessen wird, daß die Kohle erst in der Verbrennungszone auf Reaktionstemperatur
kommt. Das Auftragen der Schale muß dabei in einer Weise erfolgen, die eine genaue
Überwachung und Regelung aller Faktoren, auch der benötigten zusätzlichen Wassermenge,
gestattet. Ein einfaches Nachpudern, wie es gelegentlich angewendet wird, genügt
meist nicht, da die Schale die Aufgabe hat, zu verhindern, daß die Kohle des Kernes
schon in der Vorwärmzone mit den heißen Verbrennungsgasen zur Reaktion kommt. Die
Schale muß zu diesem Zweck eine bestimmte, von den Betriebsbedingungen abhängige
Dicke haben, wie im folgenden näher dargelegt ist. Unter dieser Schutzschale ist
dann nach einem weiteren Erfindungsgedanken die Verwendung feingemahlener Kohle
ohne Gefahr eines C O-Verlustes möglich.
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Infolge der Schutzschale nach der Erfindung erhitzen die heißen Verbrennungsgase
zunächst nicht die Kohle, sondern geben ihren Wärmeinhalt an diese Schale ab, und
die Kohle wird, ohne in der Vorwärmzone mit heißen Verbrennungsgasen in Berührung
zu kommen, durch diese hindurch in die oxydierende Brennzone geschleust, wo sie
dann zur Reaktion kommt. Das Gegenstromprinzip ist gewissermaßen aufgehoben und
ein Zustand herbeigeführt, als ob die Kohle erst weiter unten in den Ofen eingebracht
worden wäre, und zwar um so weiter unten, je dicker die brennstofffreie Granalienschale
war. Es entsteht ein ähnlicher Zustand wie bei einer Rostfeuerung. Stärkeres Blasen
wird nun auch nicht mehr ohne weiteres einen schnelleren Feuerfortschritt bewirken;
der Feuerfortschritt wird vielmehr weitgehend durch die Schalendicke bestimmt. Es
leuchtet ein, daß man durch die Schalendicke die Abgasanalyse in die Hand bekommt.
Bei dünner Schale wird noch CO auftreten, bei dikkerer Schale wird das C O verschwinden,
und bei noch dickerer Schale wird schließlich ein Luftüberschuß auftreten.
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Wenn man also zunächst ohne Rücksicht auf den Granaliendurchmesser
die Dicke der Schale bei allen Granalien gleichmacht, kann man durch Variieren der
Schalendicke jedes beliebige Brennstoff-Luft-Verhältnis erzielen und nach der Abgasanalyse
auf den günstigsten Punkt einstellen. Ein allgemein gültiger Wert für die richtige
Schalendicke läßt sich nicht angeben. Es hängt von vielen Faktoren ab, die von Fall
zu Fall verschieden sein können, wie Kohlesorte, Rohmehlzusammensetzung, Luftgeschwindigkeit
u. a.
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Es genügt jedoch nicht, die Schalendicke einheitlich und gegebenenfalls
beliebig veränderlich zu machen, sondern es muß auch das Verhältnis von Schalendicke
und Kerndurchmesser innerhalb gewisser Grenzen bleiben, wie folgende Betrachtung
ergibt: Nur so viel Kohle kann sich nach H a u e n s c h i 1 d umsetzen, wie CaC03
vorhanden ist. Bei üblichen Verhältnissen liegt die Grenze etwa um 11 Teile Betriebskohle
auf 100 Teile Rohmehl. Bei höheren Kohlegehalten bleibt Kohle übrig, die direkt
mit Luftsauerstoff verbrannt werden müßte.
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Es handelt sich bei dieser Betrachtung um festen Kohlenstoff, also
Kokskohle; die sogenannten flüchtigen Bestandteile brauchen in diesem Zusammenhang
nicht berücksichtigt zu werden, sie sind bereits wegdestilliert, wenn die Hauenschildsche
Reaktion einsetzt. Der Luftsauerstoff dringt aber nur unvollkommen in das Innere
der Granalie ein, und es besteht die Gefahr, daß durch die verbleibende Kohle die
Eisenverbindungen unerwünschterweise reduziert werden, was eine Qualitätsminderung
bedeutet. Da nun zum Brennen von Rohmehl insgesamt ungefähr 8°/o Kohle verbraucht
werden, kommt man im Kern allzu leicht zu einer Überschreitung der durch die Gleichung
gefundenen Grenze, denn im Kern muß ja jetzt die Kohle angereichert werden, damit
sie auch zum Brennen der Schale mit ausreicht. Kern und Schale dürfen deshalb ein
gewisses Gewichtsverhältnis nicht unterschreiten, das sich für die jeweiligen Betriebsbedingungen
aus der Hauenschildschen Gleichung berechnet. Da die Schalendicke, wie oben geschildert,
von anderen Faktoren bereits festgelegt ist, darf man auch mit Bern Kerndurchmesser
nicht beliebig heruntergehen. Einige Beispielrechnungen zeigen, daß sich daraus
die Forderung nach Mindestgranaliengrößen ergibt, die schon nahe an der Grenze dessen
liegen, was man für Schachtöfen noch als tragbar ansieht, um eine gute Klinkerkühlung
bei mäßiger Ofenhöhe zu erzielen. Dazu kommt, daß die aus der Hauenschildschen Formel
errechnete Zahl einen theoretischen Grenzwert darstellt, der in der Praxis nicht
erreicht wird. Den beiden sich ., widerstrebenden Forderungen, daß die Granalien
wegen des Reaktionsablaufes nicht zu klein und wegen der Ofenhöhe nicht zu groß
sein dürfen, wird man am besten dadurch gerecht, daß man keine breite Kornverteilung
zuläßt, sondern eine möglichst einheitliche Korngröße anstrebt. Wenn diese einheitliche
Korngroße sich während des Betriebs variieren läßt, hat .". man ein einfaches Mittel,
um für die zufälligen örtlichen Verhältnisse den günstigsten Erfahrungswert einzustellen.
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Es sind bereits Verfahren bekannt, Granalien von einheitlichem Durchmesser
herzustellen durch Kombination von Granuliertrommeln mit Siebvorrichtungen oder,
einfacher, durch Verwendung von Granuliertellern mit einfachem Staurand; bei letzteren
läßt sich der Granaliendurchmesser während des Betriebes leicht' ändern. Zweck der
bisher hergestellten Einkorngranalien war lediglich die Erzielung einer guten Luftdurchlässigkeit
des Ofeninhaltes. Auch handelte es sich hierbei nicht um Granalien mit einer brennstofffreien
Schutzschale.
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Für die Verblaserost-Sinterung ist schon ein den Schalengranalien
verwandtes Prinzip vorgeschlagen worden. Es sollen dort, um eine entsprechend kurze
Brennzone zu erzielen, nur kleine, lockere Krümel aus Rohmehl, Rückgut und Koks
hergestellt werden, und es ist eine Nachpuderung dieser kleinen Krümel mit kohlefreiem
Rohmehl vorgesehen. Hier handelt es sieh jedoch nicht um feste Granalien mit regelmäßiger
Gestalt und gleichmäßigem Durchmesser, sondern um lockere unregelmäßige Krümel,
die nicht größer als etwa 5 mm sein dürfen, um den für das Sinterband nötigen Durchmesser
zu erzielen. Das Kennzeichen der vorliegenden Erfindung ist aber gerade, daß die
Außenschicht ganz regelmäßig mit einer bestimmten Min-Bestdicke aufgebracht wird
und daß bei Verwendung von Rohmehlschalen solch kleine Granaliendurchmesser, wie
sie beim Sinterband gebraucht werden, vermieden werden sollen. Der bei Mahlen der
Kohlen erzielte - weiter unten beschriebene - zonare Reaktionsfortschritt innerhalb
einer Granalie von außen nach innen setzt voraus, daß die Temperaturdifferenzen
zwischen Schale und Kern 500° C und mehr betragen,
und dies ist
bei Granalien unter 5 mm Durchmesser gar nicht möglich. Versuche mit solchen Krümeln
im Schachtofen sind bei Verwendung von gemahlener Kohle daher auch negativ verlaufen.
Ebenso ist bereits ausgeführt worden, daß auch wegen der Hauenschildschen Reaktion
größere Granalien erstrebt werden müssen. Solche lassen sich nur im Schachtofen,
nicht auf dem Sinterband brennen. Wenn mit dem Nachpudern der Sinterbandkrümel gewisse
Verbesserungen erzielbar sind, so können diese nur Teilerfolge sein, denn der Schaffung
optimaler Bedingungen steht die Kleinheit der Sinterbandkrümel im Wege.
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Bei dem üblichen Verfahren mit ungemahlener Kohle ist es schwierig,
die Länge der Feuerzone zu beeinflussen, denn diese wird bestimmt durch mehrere
Faktoren, die man ungenügend beherrscht, z. B. den Kornaufbau der Kohle oder auch
den Luftzutritt zur Kohle, der durch örtliche Sinterungen und Verdichtungen behindert
sein kann. Anders bei gemahlener Kohle gemäß der Erfindung. Dank der Hanenschildschen
Reaktion entweicht auch bei Luftabschluß die Kokskohle bei äußerer Wärmeeinwirkung
in Form von CO, und die Länge der Feuerzone wird im wesentlichen nur noch
von der Granaliengröße bestimmt. Bei Granalien unter 5 mm Durchmesser wird die Feuerzone
für den Schachtofen zu kurz für eine stabile Feuerführung. Über 25 mm Durchmesser
wird sie so lang, daß die übliche Ofenhöhe von etwa 8 m keine ausreichende Kühlung
gewährleistet.
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Auf einem anderen Gebiet, nämlich dem der Sinterung von Erz, ist bereits
die Verwendung kohlefreier Schalen vorgeschlagen worden. Der Zweck ist dabei jedoch
eine Reduktionswirkung im Gegensatz zu der vorliegenden Erfindung, bei der im Kern
neben der Kohle eine ausreichende Menge C 02 haltiges Material vorhanden sein muß
und ein oxydierendes Brennen erstrebt und erzielt wird.
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Das Schalenverfahren kann selbstverständlich mit solchen Kohlefeinheiten
durchgeführt werden, wie sie bei Zementschachtöfen allgemein üblich sind (Feinkohle
unter 6 mm). Ein besonderer Vorteil besteht aber darin, daß man unter dem Schutz
der verhältnismäßig dicken Schale nach der Erfindung jetzt auch feingemahlene Kohle
verwenden kann, ohne daß ein C O-Verlust auftritt. Bisher galt die Verwendung von
gemahlener Kohle wegen der C 0-Verluste als unwirtschaftlich. Sie bietet aber andererseits
folgende erhebliche Vorteile, von denen bei dem Verfahren nach der Erfindung Gebrauch
gemacht werden kann: 1. Bei ungemahlener Kohle entsteht um j edes Kohlenkorn herum
ein Aschennest, das lokal die Rohmehlzusammensetzung ändert und verdirbt. Bei gemahlener
Kohle entsteht eine homogene Aschenverteilung, die bei der Einstellung der Rohmehlzusammensetzung
bereits berücksichtigt werden kann. Bisher war der Aschenfehler einer der Hauptgründe,
weshalb Schachtofenklinker dem Drehofenklinker nicht ebenbürtig sein konnte. Durch
die Kohlenzumahlung wird dieser Nachteil beseitigt. Es entsteht sogar der Vorteil,
daß man zu unbeschränkter Verwendung von billiger, aschenreicher Kohle übergehen
kann. Das kohlenhaltige Kernmehl muß selbstverständlich anders im Kalk eingestellt
werden als das Schalenmehl, so daß sich nach dem Brennen für beide Teile der richtige
Kalksättigungsgrad ergibt.
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z. Bei ungemahlener Kohle kommt es häufig vor, daß Kohlenkörner von
dicht gesintertem Klinker umschlossen werden, ehe sie Gelegenheit haben, zu verbrennen.
Die weitere Verbrennung wird unmöglich, denn es kann auch später in der Kühlzone
keine Ver -brennungsluft mehr hinzutreten. Die Kohle bleibt unverbrannt und reduziert
den Klinker in der Umgebung. Neben dem schon unter 1 genannten Aschenfehler sind
diese Reduktionserscheinungen hauptsächlich dafür verantwortlich, daß bisher der
Schachtofenklinker dem Dr ehofenklinker gegenüber nicht als ebenbürtig gilt. In
solch reduziertem Klinker entsteht sekundärer freier Kalk, und ein daraus erzeugter
Zement hat minderwertige Eigenschaften. Im Gegensatz dazu verbleibt feingemahlene
Kohle nicht in gesintertem Klinker, denn sie ist ja nicht auf Luftzutritt angewiesen,
sondern verbrennt primär mit Ca C 03 zu CO, und diese Reaktion ist bereits
abgelaufen, bevor die Sintertemperatur erreicht wird. Die gefürchteten Reduktionserscheinungen
bleiben aus, wie in Großversuchen nachgewiesen werden konnte.
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3. Ein weiterer, zunächst nicht erwarteter und bisher noch unbekannter
Vorteil der gemahlenen Kohle hat sich bei. mehrwöchigen Großversuchen ergeben. Bei
grober Kohle tritt eine äußere Schwindung der Granalien bis zu 40 % ein, die zur
Bildung eines RandspaItes irn Ofen und damit zu ungleichmäßiger Luftverteilung führt.
Bei gemahlener Kohle ist die äußere Brennschwindung wesentlich geringer. Es bildet
sich nämlich zuerst auf der Oberfläche der Granalien eine feste Klinkerhaut, die
als Gerüst dient. Bei dem nachfolgenden Durchbrennen des Kerns schwindet diese Haut
nicht mehr, und durch das Schwinden des Kernmaterials bilden sich innere Hohlräume.
Den charakteristischen Verlauf dieses Prozesses kann man beobachten, wenn man heiße
Granalien in verschiedenen Brennstadien aus der Brennzone holt und schnell abkühlt.
Bei gemahlener Kohle zeigt sich eine Zonenbildung. Im ersten Stadium findet man
Granalien, deren Oberfläche etwa 1 mm stark gesintert ist, darunter findet sich
eine Zone aus gelbem, entsäuertem Schwachbrand von etwa 1/z mm Dicke, dann folgt
der kohlehaltige, unentsäuerte Kern, der im Inneren sogar die charakteristischen
Farben zeigt, die bei 400 bis 500° C auftreten. Im weiter fortgetriebenen Brennstadium
wandern die Zonen von außen nach innen, bis die Durchsinterung erreicht ist. Vorwärm-,
Kalzinier-und Sinterzone sind also in die Granalie selbst verlegt. Ein solcher Klinker
hat zuletzt eine sehr charakteristische, rosenblütenartige Struktur, an der sofort
erkannt werden kann, daß er mit gemahlener Kohle gebrannt worden ist. Er besteht
aus ineinandersteckenden Schalen, die durch Hohlräume getrennt sind.
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Ein mit solch porösen Granalien geführter Ofen hat eine wesentlich
günstigere Luftverteilung, denn einerseits ist die Randspaltbildung geringer, andererseits
hat der Klinkerstock selbst infolge der gebildeten Hohlräume eine bessere Luftdurchlässigkeit.
Es läßt sich eine höhere Leistung und bessere Klinkerqualität bei geringerem Kohlenverbrauch
erzielen. Dieser poröse Klinker ist auch leichter mahlbar.
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Bei ungemahlener Kohle läßt sich die Zonenbildung innerhalb der Granalien
nicht beobachten. Auch schwindet die Granalie äußerlich stark und ist weit weniger
porös. Es ist klar erkennbar, daß der Ofenbetrieb mit gemahlener und mit ungemahlener
Kohle auf zwei grundsätzlich verschiedenen Prozessen beruht, wobei der Betrieb mit
gemahlener Kohle erst nach dem Verfahren gemäß der Erfindung wirtschaftlich und
vorteilhaft zu gestalten ist.
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Nach einem weiteren Erfindungsgedanken kann man zweckmäßig die Granalienschale
statt aus Rohmehl aus fertiggebranntem Klinkermehl, also Rückgut, herstellen. Hierdurch
lassen sich die engen Grenzen für
die Granaliengröße vorteilhaft
erweitern; denn die Verhältnisse beim Brennen ändern sich dann folgendermaßen: Da
das Klinkermehl schon entsäuert ist und der Wärmeaufwand zum Erhitzender Schale
weitgehend in der Kühlzone zurückgewonnen wird, entsteht für die Schale kein wesentlicher
Wärmeverbrauch, und es tritt die Gefahr nicht ein, daß der Kohlegehalt des Kerns
übersteigert werden muß, um die Schale mitzubrennen. Die Bedenken, zu etwas kleineren
Granalien überzugehen, fallen dann weg, ja es können so kleine Granalien verwendet
werden, daß sie sich nicht für den Schachtofen, sondern auch für das Sinterband
eignen.
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Es ist zwar bekannt, bestimmte Kornfraktionen des fertiggebrannten
Ofengutes auszusieben und erneut einzugranulieren. Hierdurch wird eine Herabsetzung
der Brennschwindung im Ofen und dadurch eine gleichmäßigere Luftverteilung und Verbrennung
erreicht. Die GO-Verluste konnten mit diesem Verfahren zwar etwas verringert, aber
nicht beseitigt werden. Dies ist erst durch das Aufgranulieren von Rückgut als Außenschale
gemäß der Erfindung möglich.
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Zusammenfassend lassen sich also mit den Maßnahmen nach der Erfindung
beim Zementbrennen im Schachtofen folgende Vorteile erzielen, von denen einige gegebenenfalls
auch für den Sinterrost nutzbar gemacht werden können: 1. Vollkommene Verbrennung,
dadurch Kohlenersparnis bis zu 30%; 2. Vermeidung des Aschefehlers im Klinker; 3.
hochwertiger Klinker kann mit aschereicher Kohle erzeugt werden; 4. Vermeidung von
minderwertigem, reduziertem Klinker; 5. Steigerung der Ofenleistung; 6. leichtere
Mahlbarkeit des Klinkers.