Kalkofen

Ein Kalkofen dient der Kalzinierung von Kalkstein ( Calciumcarbonat ) zu Branntkalk ( Calciumoxid ) . Die chemische Gleichung für diese Reaktion lautet : CaCO₃ + Wärme _{→ CaO} + CO₂

Diese Reaktion kann bei Temperaturen über 840 °C (1540 °F) stattfinden, wird aber im Allgemeinen bei 900 °C (1650 °F) angenommen (bei dieser Temperatur beträgt der CO₂- _Partialdruck 1 Atmosphäre ) . Um die Reaktion zu beschleunigen, wird üblicherweise eine Temperatur um 1000 °C (1830 °F) verwendet (bei dieser Temperatur beträgt der CO₂-Partialdruck 3,8 Atmosphären [1]). _[ 2 ] ^{Zu hohe Temperaturen werden vermieden ,} da sie zu reaktionsträgem, „totgebranntem“ Kalk führen.

Gelöschter Kalk ( Calciumhydroxid ) kann durch Mischen von Branntkalk mit Wasser hergestellt werden.

Da Kalk durch Erhitzen von Kalkstein so leicht hergestellt werden kann, muss er schon seit frühester Zeit bekannt gewesen sein, und alle frühen Zivilisationen verwendeten ihn für Baumörtel und als Stabilisator in Lehmputzen und Fußböden. ^{[ 3 ]} Funde aus Ain Ghazal in Jordanien, Yiftahel in Israel und Abu Hureyra in Syrien aus der Zeit von 7500–6000 v. Chr. belegen, dass Kalk anfangs hauptsächlich als Bindemittel für Fußböden und als Putz für Wände verwendet wurde. ^{[ 4 ]} Diese Verwendung von Putz könnte wiederum zur Entwicklung der Proto-Keramik geführt haben, die aus Kalk und Asche hergestellt wurde. ^{[ 4 ]} Im Mörtel war Lehm das älteste Bindemittel. ^{[ 4 ]} Funde aus Çatalhöyük in der Türkei zeigen, dass auf Lehm bald Ton und im 6. Jahrtausend v. Chr. schließlich Kalk folgte. ^{[ 4 ]}

Das Wissen um seinen Wert in der Landwirtschaft ist ebenfalls alt, doch seine breite Anwendung wurde erst möglich, als die Kohlegewinnung in den Kohleabbaugebieten des späten 13. Jahrhunderts Kalk billig machte ^{[ 5 ]} . Ein Bericht über die landwirtschaftliche Nutzung stammt aus dem Jahr 1523 ^{[ 6 ].} Die frühesten Beschreibungen von Kalköfen unterscheiden sich kaum von denen, die vor einem Jahrhundert für die Kleinproduktion verwendet wurden. Da der Landtransport von Mineralien wie Kalkstein und Kohle in der vorindustriellen Zeit schwierig war, wurden sie auf dem Seeweg transportiert, und Kalk wurde zumeist in kleinen Küstenhäfen hergestellt. Viele erhaltene Kalköfen sind noch heute an den Kais entlang der britischen Küsten zu sehen.

Permanente Kalköfen lassen sich in zwei Hauptkategorien einteilen: sogenannte „Flare-Öfen“, auch intermittierende oder periodische Öfen genannt, und „Dauerbrennöfen“, auch „kontinuierliche“ oder „laufende Öfen“ genannt. In einem Flare-Ofen wurde eine untere Schicht aus Kohle aufgebaut und der darüber liegende Ofen ausschließlich mit Kalkstein befüllt. Das Feuer brannte mehrere Tage lang, bevor der gesamte Ofen entleert wurde.

In einem Zugofen, üblicherweise einem Steinbauwerk, wurde Kreide oder Kalkstein mit Holz, Kohle oder Koks geschichtet und angezündet. Beim Durchbrennen wurde Kalk durch die Zugöffnung am Ofenboden entnommen. Anschließend wurden weitere Schichten aus Stein und Brennstoff hinzugefügt. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

Das gemeinsame Merkmal früher Brennöfen war eine eierbecherförmige Brennkammer mit einem Lufteinlass am Boden (dem „Auge“), die aus Ziegeln gefertigt war. Kalkstein wurde (oft von Hand) auf eine relativ einheitliche Korngröße von 20–60 mm (1–2 mm ) zerkleinert.+1/2 Zoll große  Brocken – feines Gestein wurde aussortiert. Im Ofen wurden kuppelförmige Schichten aus Kalkstein und Holz oder Kohle auf Roststäben über die Öffnung aufgeschichtet. Nach dem Befüllen wurde der Ofen von unten angezündet, und das Feuer breitete sich allmählich durch die Ladung nach oben aus. Sobald der Kalk durchgebrannt war, wurde er abgekühlt und durch den Boden herausgekratzt. Feine Asche fiel heraus und wurde zusammen mit dem Siebgut aussortiert.

Es konnte nur Stückkalk verwendet werden, da die Brennmasse während des Brennvorgangs „atmen“ musste. Dies begrenzte auch die Größe der Öfen und erklärt, warum sie alle annähernd gleich groß waren. Ab einem bestimmten Durchmesser wäre die halbverbrannte Brennmasse unter ihrem eigenen Gewicht zusammengebrochen und hätte das Feuer erstickt. Daher produzierten die Öfen stets 25–30 Tonnen Kalk pro Brennvorgang. Typischerweise dauerte das Beladen des Ofens einen Tag, das Brennen drei Tage, das Abkühlen zwei Tage und das Entladen einen Tag, sodass ein Zyklus von einer Woche üblich war. Der Brenngrad wurde durch Ausprobieren von Brennvorgang zu Brennvorgang durch Variation der Brennstoffmenge gesteuert. Aufgrund der großen Temperaturunterschiede zwischen dem Kern der Brennmasse und dem Material nahe der Ofenwand entstand üblicherweise eine Mischung aus unterverbranntem (d. h. mit hohem Glühverlust ), gut gebranntem und totgebranntem Kalk. Die Brennstoffausbeute war typischerweise gering: Pro Tonne fertigem Kalk (15 MJ/kg) wurden 0,5 Tonnen oder mehr Kohle verbraucht.

Die Kalkherstellung erfolgte teilweise im industriellen Maßstab. Ein Beispiel hierfür ist Annery in North Devon , England , in der Nähe von Great Torrington . Die Anlage bestand aus drei in L-Form angeordneten Öfen und lag am Torrington-Kanal und dem Fluss Torridge. Sie diente der Anlieferung von Kalkstein und Kohle sowie dem Abtransport des gebrannten Kalks in einer Zeit, bevor es befestigte Straßen gab. ^{[ 9 ]}

Üblicherweise wurden Gruppen von sieben Brennöfen eingesetzt. Eine Belade- und eine Entlademannschaft bedienten die Öfen im wöchentlichen Wechsel.

Ein selten genutzter Brennofen wurde als „fauler Brennofen“ bezeichnet. ^{[ 10 ]}

Im späten 19. und frühen 20. Jahrhundert produzierte die Stadt Waratah in Gippsland , Victoria , Australien, den Großteil des Branntkalks, der in Melbourne und anderen Teilen Gippslands verwendet wurde. Die Stadt, heute Walkerville genannt , lag an einem abgelegenen Küstenabschnitt Victorias und exportierte den Kalk per Schiff. Als dies 1926 unrentabel wurde, wurden die Kalköfen stillgelegt. Das heutige Gebiet, das über keine städtischen Einrichtungen verfügt, vermarktet sich als Touristenziel. Die Ruinen der Kalköfen sind noch heute zu sehen.

• Kalkbrennöfen in Australien
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  Ruine eines Kalkofens in Walkerville, Victoria, Australien
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  Ruine eines Kalkofens, gesehen vom Wanderweg in Walkerville, Victoria, Australien

In Wool Bay , Südaustralien, gab es ebenfalls einen Kalkofen ^{[ 11 ]} .

• Kalkofen, Wool Bay
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  Alte Kalköfen in Manzhykiv Kut, Ukraine
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  Alte Kalköfen in Manzhykiv Kut, Ukraine
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  Alte Kalköfen in Manzhykiv Kut, Ukraine
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  Alte Kalköfen in Manzhykiv Kut, Ukraine

Der große Brennofen in Crindledykes bei Haydon Bridge in Northumbria war einer von über 300 in der Grafschaft. Er war in der Region einzigartig, da er vier Zugbögen für einen einzigen Topf besaß. Als die Produktion zurückging, wurden die beiden Seitenbögen zugemauert, aber 1989 von English Heritage restauriert .

Der Ausbau des nationalen Eisenbahnnetzes machte die lokalen Kleinbrennöfen zunehmend unrentabel, und sie verschwanden im Laufe des 19. Jahrhunderts allmählich. Sie wurden durch größere Industrieanlagen ersetzt. Gleichzeitig führten neue Verwendungszwecke für Kalk in der Chemie- , Stahl- und Zuckerindustrie zum Bau von Großanlagen. In diesen Anlagen wurden auch effizientere Brennöfen entwickelt.

Ein 1842 in Dudley , West Midlands (ehemals Worcestershire ) , errichteter Kalkofen ist heute Teil des 1976 eröffneten Black Country Living Museum , obwohl die Öfen zuletzt in den 1920er Jahren in Betrieb waren. Er gehört zu den letzten in einer Region, die bis in die 1960er Jahre über Generationen hinweg vom Kohle- und Kalksteinabbau geprägt war. ^{[ 12 ]}

• Kalkbrennöfen in Großbritannien
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  Kalköfen aus dem 19. Jahrhundert in Froghall
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  Ein erhaltener Kalkofen im Burgess Park , London
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  Alter Kalkofen, Boscastle, Cornwall
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  Ein großer Kalkofen in Broadstone, Beith, Ayrshire
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  Der Annery-Brennofen in Devon, England
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  Großer Einzelkalkofen aus dem 19. Jahrhundert in Crindledykes bei Housesteads, Northumbria
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  Schloss Dumbarton im Jahr 1800 und ein funktionierender Kalkofen mit Rauch im Vordergrund ^{[ 13 ]}

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  Alte Kalköfen, Antoing , Belgien
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  Kalköfen, Oeiras, Portugal
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  Kalkofen Untermarchtal, Baden-Württemberg
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  Kalkofen aus dem Jahr 1906 in Simplon, Namibia
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  Kalköfen in Kladno, Tschechien, in Betrieb bis 1975.

Die theoretische Reaktionswärme (Standardenthalpie ) für die Herstellung von hochkalziumhaltigem Kalk beträgt etwa 3,15 MJ pro kg Kalk. Daher erreichten Chargenöfen nur einen Wirkungsgrad von rund 20 %. Der Schlüssel zur Effizienzsteigerung lag in der Erfindung von Durchlauföfen, die die energieintensiven Aufheiz- und Abkühlzyklen der Chargenöfen überflüssig machten. Die ersten waren einfache Schachtöfen, ähnlich wie Hochöfen . Es handelt sich dabei um Gegenstrom-Schachtöfen. Moderne Varianten umfassen Regenerativ- und Ringöfen. Die Ausbeute liegt üblicherweise zwischen 100 und 500 Tonnen pro Tag.

Der Brennstoff wird in der Mitte des Schachts eingespritzt, wodurch an dieser Stelle die maximale Temperatur erreicht wird. Das oben zugeführte frische Material wird zunächst getrocknet und dann auf 800 °C erhitzt. Hier beginnt die Entkohlung, die mit steigender Temperatur immer schneller voranschreitet. Unterhalb des Brenners gibt der heiße Kalk Wärme an die Verbrennungsluft ab und wird durch diese gekühlt. Ein mechanischer Rost zieht den Kalk am Boden ab. Ein Ventilator saugt die Gase durch den Ofen, und der Füllstand wird durch die Zugabe von Material über eine Schleuse konstant gehalten. Wie bei Chargenöfen dürfen nur große, abgestufte Steine ​​verwendet werden, um einen gleichmäßigen Gasstrom durch die Beschickung zu gewährleisten. Der Brenngrad lässt sich durch die Kalkentnahmerate steuern. Ein Wärmeverbrauch von nur 4 MJ/kg ist möglich, typischerweise liegen die Werte jedoch zwischen 4,5 und 5 MJ/kg. Aufgrund der Temperaturspitzen von bis zu 1200 °C an den Brennern bietet ein Schachtofen ideale Bedingungen für die Herstellung von mittel- und hartgebranntem Kalk.

Diese Öfen bestehen typischerweise aus zwei abwechselnd betriebenen Schächten. Ist Schacht A der „primäre“ und Schacht B der „sekundäre“, wird die Verbrennungsluft von oben in Schacht A zugeführt, während der Brennstoff etwas weiter unten über Brennerlanzen zugeführt wird. Die Flamme brennt von oben nach unten. Die heißen Gase strömen nach unten, gelangen über den sogenannten „Kanal“ in Schacht B und steigen zum Abgasauslass von Schacht B auf. Gleichzeitig wird in beiden Schächten von unten Kühlluft zugeführt, um den Kalk zu kühlen und durch Aufrechterhaltung eines Überdrucks den Abgasaustritt über den Ofenboden zu verhindern. Verbrennungsluft und Kühlluft verlassen den Ofen gemeinsam über den Abgasauslass oben in Schacht B und wärmen den Stein vor. Die Strömungsrichtung wird periodisch (typischerweise 5–10 Mal pro Stunde) umgekehrt, wodurch Schacht A und B ihre Rolle als „primärer“ bzw. „sekundärer“ Schacht tauschen. Der Ofen ist in drei Zonen unterteilt: die Vorwärmzone oben, die Brennzone in der Mitte und die Kühlzone nahe dem Boden. Durch den zyklischen Betrieb entsteht eine lange Brennzone mit konstanter, relativ niedriger Temperatur (ca. 950 °C), die ideal für die Herstellung von hochwertigem, weichgebranntem Reaktivkalk ist. Bei Abgastemperaturen von nur 120 °C und einer Kalktemperatur am Ofenausgang von ca. 80 °C ist der Wärmeverlust des Regenerativofens minimal, der Brennstoffverbrauch liegt bei nur 3,6 MJ/kg. Aufgrund dieser Eigenschaften sind Regenerativöfen heute angesichts der hohen Brennstoffkosten weit verbreitet. Sie werden für eine Tagesleistung von 150 bis 800 t/Tag gebaut, typischerweise liegen die Werte zwischen 300 und 450 t/Tag.

Diese Öfen enthalten einen konzentrischen Innenzylinder. Dieser sammelt vorgewärmte Luft aus der Kühlzone, die anschließend zur Druckbeaufschlagung der mittleren Ringzone des Ofens genutzt wird. Die von der Druckzone nach außen strömende Luft erzeugt eine Gegenstromströmung nach oben und eine Gleichstromströmung nach unten. Dadurch entsteht eine lange, relativ kühle Kalzinierungszone. Der Brennstoffverbrauch liegt im Bereich von 4 bis 4,5 MJ/kg, und der Kalk ist typischerweise mittelstark gebrannt.

Drehrohröfen wurden Anfang des 20. Jahrhunderts zur Kalkherstellung eingesetzt und machen heute einen Großteil der Neuanlagen aus, sofern die Energiekosten eine untergeordnete Rolle spielen. Die frühen, einfachen Drehrohröfen boten den Vorteil, dass ein deutlich breiteres Spektrum an Kalksteinkorngrößen, von Feinkorn bis hin zu größeren Körnungen, verarbeitet werden konnte und unerwünschte Elemente wie Schwefel entfernt werden konnten. Andererseits war der Brennstoffverbrauch aufgrund des im Vergleich zu Schachtöfen schlechten Wärmeaustauschs relativ hoch, was zu übermäßigen Wärmeverlusten in den Abgasen führte. Herkömmliche, lange Drehrohröfen arbeiten mit einem Energieverbrauch von 7 bis 10 MJ/kg. Moderne Anlagen beheben diesen Nachteil teilweise durch den Einsatz eines Vorwärmers, der den gleichen guten Feststoff-Gas-Kontakt wie ein Schachtofen aufweist. Der Brennstoffverbrauch ist jedoch immer noch etwas höher und liegt typischerweise im Bereich von 4,5 bis 6 MJ/kg. In der dargestellten Konstruktion ist ein Kreis von Schächten (typischerweise 8–15) um den Steigrohrkanal des Ofens angeordnet. Heißer Kalkstein wird durch eine hydraulische Schubplatte nacheinander aus den Schächten gefördert. Typischerweise erreichen Öfen eine Tagesleistung von 1000 Tonnen. Der Drehrohrofen ist der flexibelste Kalkofen und kann sowohl weichen, mittel- als auch harten sowie totgebrannten Kalk (Dolomitkalk) herstellen.

Alle oben genannten Ofenkonstruktionen erzeugen Abgase, die eine beträchtliche Menge Staub enthalten. Kalkstaub ist besonders korrosiv. Zur Abscheidung dieses Staubs werden Anlagen installiert, typischerweise Elektrofilter oder Schlauchfilter. Der Staub enthält üblicherweise eine hohe Konzentration an Elementen wie Alkalimetallen , Halogenen und Schwefel.

Die Kalkindustrie ist ein bedeutender Verursacher von Kohlendioxidemissionen . Bei der Herstellung einer Tonne Calciumoxid wird Calciumcarbonat zersetzt, wobei in manchen Anwendungsbereichen, beispielsweise bei der Verwendung als Mörtel , 785 kg _CO₂ entstehen ; dieses CO₂ _wird später beim Aushärten des Mörtels wieder aufgenommen.

Wird die zur Kalkherstellung benötigte Wärme (3,75 MJ/kg in einem effizienten Ofen) durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt, entsteht CO₂ _: bei Kohle 295 kg/t, bei Erdgas 206 kg/t. Der Stromverbrauch einer effizienten Anlage liegt bei etwa 20 kWh pro Tonne Kalk. Dieser zusätzliche Energieaufwand entspricht etwa 20 kg CO₂ _pro Tonne, wenn der Strom aus Kohlekraftwerken erzeugt wird. Somit kann die Gesamtemission selbst in effizienten Industrieanlagen bei etwa 1 Tonne CO₂ pro Tonne Kalk liegen, beträgt aber typischerweise 1,3 t/t. _[ ^{14 ] Wird} die Wärmequelle für die Herstellung jedoch vollständig aus erneuerbaren Energien wie Sonne, Wind, Wasserkraft oder Kernenergie genutzt, kann die Kalzinierung nahezu klimaneutral sein . Im Vergleich zu Portlandzement benötigt Kalk pro Gewichtseinheit weniger Energie _, vor allem aufgrund der niedrigeren erforderlichen Temperatur.

• Liste der Kalköfen
  • Liste der Kalköfen in den Vereinigten Staaten
• Kalkgrube

• Eine maßgebliche Abhandlung über Kalk und seine Verwendung (US-amerikanischer Kontext)
• Kalköfen in Newport, Pembrokeshire, Westwales
• Muspratts technische Beschreibung des Kalkbrennens und der Zementherstellung aus der Mitte des 19. Jahrhunderts
• Der physikalisch-chemische Prozess der Kalkung
• Digitale Sammlung zum Thema Kalkbrennöfen in der Bibliothek der Sonoma State University

Wainmans Doppelbogen-Kalkofen – Denkmalgeschütztes Gebäude (Grade II) – 1. Februar 2005

Details & Bild: Wainmans Doppelbogen-Kalkofen - Denkmalgeschütztes Gebäude (Grade II)