DE102011050134B3

DE102011050134B3 - Verfahren und Anlage zur Herstellung eines hydraulischen Bindemittels

Info

Publication number: DE102011050134B3
Application number: DE201110050134
Authority: DE
Inventors: Markus Sauer; Viktor Marchuk
Original assignee: ThyssenKrupp Polysius AG
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 2011-05-05
Filing date: 2011-05-05
Publication date: 2012-07-26
Anticipated expiration: 2031-05-06
Also published as: WO2012150213A1; EP2705008A1

Abstract

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines hydraulischen Bindemittels wird Zementklinker hergestellt und anschließend ausschließlich im Gutbett mit wenigstens einer Walzenmühle gemahlen und wenigstens 1% eines gefällten calciumcarbonathaltigen Produkts vor oder nach der Mahlung des Zementklinkers zugegeben. Die erfindungsgemäße Anlage zur Herstellung eines hydraulischen Bindemittels weist einen ersten Prozessstrang zur Herstellung von Zementklinker und einen sich daran anschließenden zweiten Prozessstrang mit wenigstens einer Zementklinkermahlanlage zur Mahlung des Zementklinkers auf, wobei die Zementklinkermahlanlage lediglich ein Mahlaggregat in Form wenigstens einer Gutbettwalzenmühle mit zwei gegeneinander gepressten, zwischen sich einen Mahlspalt aufweisenden Mahlwalzen umfasst. Ferner ist ein Fällungsaggregat zur Herstellung eines gefällten calciumcarbonathaltigen Produkts vorgesehen, das mit dem zweiten Prozessstrang vor oder nach der wenigstens einen Gutbettwalzenmühle zur Vermischung des gefällten calciumcarbonathaltigen Produkts mit dem Zementklinker in Verbindung steht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung eines hydraulischen Bindemittels.
Im Allgemeinen erfolgt die Mahlung des Zementklinkers in einer Kugel-, Vertikal- oder Gutbettwalzenmühle, wobei letzterer aus energetischer Sicht der Vorzug zu geben ist. Zemente, die durch die Mahlung in einem Gutbettwalzenmühlen-Kreislauf ohne nachgeschalteter Kugelmühle vermahlen worden sind, besitzen gegenüber Zementen aus Kugelmühlenmahlanlagen aufgrund eines geringeren Feinanteiles engere Korngrößenverteilungen mit Steigungsmaßen im RRSB-Netz > 1 (nach DIN 66145). Dies hat Auswirkungen auf die Produktqualität bzw. auf das Verarbeitungsverhalten, das durch den Wasserbedarf zur Normsteife charakterisiert ist. Außerdem ist oft nur die Produktion von normal erhärtenden Zementen wegen einer niedrigeren Anfangsfestigkeit möglich.
Die DE 197 52 243 C2 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von Zement, wobei angestrebt wird, dass die gesamte Feinmahlung von Zementen und Rohstoffen ausschließlich in Gutbett-Walzenmühlen durchgeführt wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein schnell erhärtendes Bindemittel mit niedrigem Wasserbedarf zu fertigen, das auf einem ausschließlich im Gutbett, also ohne nachgeschaltete Kugelmühle, vermahlenen Zementklinker basiert und sich gegenüber reinem Gutbettwalzenmühle-Mahlgut durch einen deutlich niedrigeren Wasserbedarf und eine erhöhte Frühfestigkeit auszeichnet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 8 gelöst.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines hydraulischen Bindemittels wird Zementklinker hergestellt und anschließend ausschließlich im Gutbett gemahlen und wenigstens 1% eines gefällten calciumcarbonathaltigen Produkts (PCC) vor oder während oder nach der Mahlung des Zementklinkers zugegeben.
Die erfindungsgemäße Anlage zur Herstellung eines hydraulischen Bindemittels weist einen ersten Prozessstrang zur Herstellung von Zementklinker und einen sich daran anschließenden zweiten Prozessstrang mit einer Zementklinkermahlanlage zur Mahlung des Zementklinkers auf, wobei die Zementklinkermahlanlage lediglich ein Mahlaggregat in Form wenigstens einer Gutbettwalzenmühle mit zwei gegeneinander gepressten, zwischen sich einen Mahlspalt aufweisenden Mahlwalzen umfasst. Ferner ist ein Fällungsaggregat zur Herstellung eines gefällten calciumcarbonathaltigen Produkts (PCC) vorgesehen, das mit dem zweiten Prozessstrang vor oder während oder nach der Gutbettwalzenmühle zur Vermischung des gefällten calciumcarbonathaltigen Produkts mit dem Zementklinker in Verbindung steht.
Das gefällte calciumcarbonathaltige Produkt ist im Vergleich zum gemahlenen Zementklinker sehr fein und besitzt vorzugsweise eine spezifische Partikelstruktur mit ovalförmigen Kristallen mit glatter Oberfläche. Diese Partikel sorgen für eine Erhöhung der Packungsdichte und beeinflussen durch ihre spezielle Oberfläche die Wechselwirkung zwischen den einzelnen Feststoffen der Mischung. Somit führen die ultrafeinen Partikel des gefällten calciumcarbonathaltigen Produkts zu einer Verdrängung des Wassers, das für die Verbesserung der Verarbeitung bzw. des Wasserbedarfs zur Normsteife zur Verfügung steht. Durch die sich ergebende höhere Packungsdichte resultiert auch eine Steigerung der Frühfestigkeit.
Weitere Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der bevorzugte Ablauf des Verfahrens besteht darin, das bei der Herstellung des Zementklinkers Zementrohmehl vorgewärmt, dann ggf. wenigstens teilweise vorcalciniert und anschließend fertig gebrannt wird, während das gefällte calciumcarbonathaltige Produkt dadurch hergestellt wird, dass ein Teil des vorgewärmten und ggf. vorcalcinierten Zementrohmehls vor dem Brennen aus dem Zementklinkerherstellungsprozess ausgeschleust und einer Fällung zur Ausscheidung eines calciumcarbonathaltigen Produkts unterzogen wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung erfolgt die Fällung durch Einleiten von Kohlenstoffdioxid in eine das vorgewärmte und ggf. wenigstens teilweise vorcalcinierte Zementrohmehl enthaltende Flüssigkeit, bei der es sich insbesondere um Wasser handelt. Das gefällte calciumcarbonathaltige Produkt wird vorzugsweise mit einer Korngröße kleiner 20 μm, insbesondere im Bereich von 0,1 bis 10 μm hergestellt.
Das gefällte calciumcarbonathaltige Produkt kann auch als Mischung aus Calciumcarbonat und Siliciumdioxyd zugegeben werden, wobei sich ein Massenverhältnis zwischen SiO₂ und CaCO₃ im Bereich von 1,0 bis 0,1 als vorteilhaft erwiesen hat. Puzzolanisch reagierende SiO₂-Partikel tragen zur Erhöhung der Frühfestigkeit bei.
Je nach Menge des zugegebenen calciumcarbonathaltigen Produkts können der Wasserverbrauch und die Festigkeit des hydraulischen Bindemittels beeinflusst werden. Bei den der Erfindung zugrunde liegenden Versuchen hat sich ein Anteil von 2 bis 20% des gefällten calciumcarbonathaltigen Produkts als besonders zweckmäßig erwiesen wird, wobei sich im gesamten Bereich eine Verringerung des Wasserbedarfs und eine Erhöhung der Festigkeiten ergeben.
Neben dem gefällten calciumcarbonathaltigen Produkt kann auch wenigstens eine durch Hüttensand oder Kalkstein oder Flugasche oder Puzzolan oder Silikastaub oder gebrannten Schiefer oder Mischungen der genannten Komponenten gebildete weitere Hauptkomponente dem Zementklinker vor während oder nach der Mahlung zugemischt werden.
Der erste Prozessstrang der Anlage zur Herstellung des hydraulischen Bindemittels kann insbesondere folgende Prozessstufen aufweisen: einen Vorwärmer zum Vorwärmen von Zementrohmehl, ggf. einen Calcinator zum wenigstens teilweisen Vorcalcinieren von vorgewärmtem Zementrohmehl, einen Ofen zum Brennen des Zementrohmehls zu Zementklinker und einen Kühler zum Kühlen des Zementklinkers.
Gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung ist eine vor dem Ofen abzweigende Bypassleitung zum Abziehen eines Teils des vorgewärmten und ggf. wenigstens teilweise vorcalcinierten Zementrohmehls vorgesehen, wobei das Fällungsaggregat zur Herstellung des gefällten calciumcarbonathaltigen Produkts an die Bypassleitung angeschlossenen ist.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung näher erläutert.
Die in der Zeichnung dargestellte Anlage zur Herstellung eines hydraulischen Bindemittels mit einem gefällten calciumcarbonathaltigen Produkt besteht im Wesentlichen aus einem Vorwärmer 1 zum Vorwärmen von Zementrohmehl 2, ggf. einem Calcinator 3 zum Calcinieren des vorgewärmten Zementrohmehls, einem Ofen 4 zum Brennen des Zementrohmehls zu Zementklinker 13 und einem Kühler 5. Der Vorwärmer 1 ist beispielsweise als Schwebegaswärmetauscher mit mehreren, übereinander angeordneten Stufen ausgebildet, die vom Abgas des Ofens 4 im Gegenstrom zum Zementrohmehl 2 durchströmt werden. Vor dem Ofen 4 zweigt eine Bypassleitung 6 ab, an die unter Zwischenschaltung einer Kühleinrichtung 7 ein Fällungsaggregat 8 zur Herstellung des gefällten calciumcarbonathaltigen Produkts angeschlossen ist.
In der Kühleinrichtung 7 wird das abgezweigte, vorgewärmte und ggf. vorcalcinierte Zementrohmehl 2' auf Temperaturen unter 850°C, insbesondere auf Temperaturen in einem Bereich von 30–80°C abgekühlt. Hierfür eignet sich insbesondere ein Flugstromverfahren. Die dabei entstehende Wärme kann entweder direkt oder indirekt über einen Wärmetauscher 9 dem Zementherstellungsprozess, insbesondere dem Vorwärmer 1, zurückgeführt werden. Alternativ ist die Trocknung des Präzipitats denkbar.
Für die Fällung im Fällungsaggregat 8 wird üblicherweise Wasser als Flüssigkeit verwendet, sodass sich zusammen mit dem Zementrohmehl 2' eine Kalkmilch (Calciumhydroxid) bildet, in die Kohlendioxid eingeleitet wird, sodass das gefällte calciumcarbonathaltige Produkt 11 entsteht.
Über verschiedene Parameter, wie Temperatur, Verweildauer und Konzentration der Kalkmilch, können, je nach gewünschtem Endprodukt, unterschiedliche Kristallmodifikationen erzeugt werden.
Für die hier vorgesehene Vermischung mit Zementklinker hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das gefällte Produkt eine Partikelstruktur mit ovalförmigen Partikel und glatter Oberfläche aufweist. Auch ist es vorteilhaft, wenn bei der Fällung Kornfraktionen oder Korngrößen oder Kornbänder in der Größenordnung von 0,5 μm bis 20 μm, vorzugsweise 0,5 μm bis 10 μm erzeugt werden.
Neben dem Zementrohmehl können außerdem zusätzliche calciumhaltige Zusatz- oder Abfallstoffe oder auch Siliziumdioxid 10 dem Fällungsaggregat 8 zugeführt werden. Die im gefällten calciumcarbonathaltigen Produkt 11 enthaltene Wärme kann über eine Wärmerekuperationsstufe 12 rekuperiert und im Zementherstellungsprozess, beispielsweise im Vorwärmer 1 oder bei einer etwa erforderlichen Trocknung oder Erwärmung von Zusatzstoffen verwendet werden.
Der gekühlte Zementklinker 13 wird anschließend in einer Zementklinkermahlanlage 14 gemahlen, die lediglich ein Mahlaggregat in Form einer Gutbettwalzenmühle 14a mit zwei gegeneinander gepressten, zwischen sich einen Mahlspalt aufweisenden Mahlwalzen umfasst und in üblicher Art und Weise als Kreislaufmahlanlage mit einem Sichter 14b zusammenwirkt. Dem gemahlenen Zementklinker 13' wird anschließend in einer geeigneten Misch- und Dosiereinrichtung 15 das gefällte calciumcarbonathaltige Produkt 11 zugegeben, um das hydraulische Bindemittel 16 zu bilden. Weiterhin können natürlich geeignete Zwischensilos für das calciumcarbonathaltige Produkt 11 und/oder den Zementklinker 13/13' vorgesehen werden.
Außerdem kann noch wenigstens eine durch Hüttensand oder Kalkstein oder Flugasche oder Puzzolan oder Silikastaub oder gebrannten Schiefer gebildete weitere Hauptkomponente 17 dem Zementklinker vor oder nach der Mahlung zugemischt werden. Auch das calciumcarbonathaltige Produkt 11 kann bereits vor der Mahlung des Zementklinkers ganz oder teilweise zugegeben werden.
Die Überprüfung der Erfindung wurde mit Zementklinker der Sorte CEM I und gefälltem Calciumcarbonat durchgeführt.
Der Wasserbedarf der Mischungen wurde nach DIN EN 196 mit einem Vicat-Nadelgerät ermittelt. Die Festigkeitsentwicklung wurde an Prismen 40 × 40 × 160 mm aus Mörtel mit folgender Zusammensetzung: Bindemittel – 1 Teil; Sand – 3 Teile; Wasser – entsprechend dem Wasserbedarf ermittelt.
Der Zusatz von ultrafeinem Calciumcarbonat zum gemahlenen Zementklinker führt zu einer deutlichen Absenkung des Wasserbedarfs um 1–7%. Es findet durch die Zugabe des calciumcarbonathaltigen Produkts in jedem Fall eine deutliche Erhöhung der Frühfestigkeiten statt, was sich auf die Reaktionsfähigkeit des gefällten Calciumcarbonats zurückführen lässt.
Gefälltes calciumcarbonathaltiges Produkt ist somit ein für die Optimierung des lediglich mit einer Gutbettwalzenmühle gemahlenen Zementklinkers wertvoller Zusatzstoff. Damit ist die Herstellung von schnell erhärtenden Zementen, auch CEM I, nur mit der Mahlung in einem Gutbettwalzenmühlen-Kreislauf ohne nachgeschalteter Kugelmühle möglich.
Ein verringerter Wasseranspruch erlaubt bei vorgegebener Verarbeitbarkeit die Anwendung eines niedrigeren Wasser/Bindemittel-Wertes mit allen positiven Auswirkungen auf die Festbetoneigenschaften. Ein weiterer Vorteil ist die Erreichbarkeit einer bestimmten Konsistenz für Hochleistungsbetone unter Einsatz einer geringeren Menge an teurem Hochleistungsverflüssiger.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines hydraulischen Bindemittels (16), wobei Zementklinker (13) hergestellt und anschließend ausschließlich im Gutbett, mit mindestens einer Gutbettwalzenmühle gemahlen wird, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens 1% eines gefällten calciumcarbonathaltigen Produkts (11) vor oder während oder nach der Mahlung des Zementklinkers (13) zugegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung des Zementklinkers (13) Zementrohmehl (2) vorgewärmt, dann ggf. wenigstens teilweise vorcalciniert und anschließend fertig gebrannt wird, und das gefällte calciumcarbonathaltige Produkt (11) dadurch hergestellt wird, dass ein Teil des vorgewärmten und ggf. vorcalcinierten Zementrohmehls (2') vor dem Brennen aus dem Zementklinkerherstellungsprozess ausgeschleust und einer Fällung zur Ausscheidung eines calciumcarbonathaltigen Produkts unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fällung durch Einleiten von Kohlenstoffdioxid in eine das vorgewärmte und ggf. wenigstens teilweise vorcalcinierte Zementrohmehl (2') enthaltende Flüssigkeit erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass gefällte calciumcarbonathaltige Produkt (11) mit einer Korngröße kleiner 20 μm verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass 2 bis 20% des gefällten calciumcarbonathaltigen Produkts (11) vor oder während oder nach der Mahlung des Zementklinkers (13) zugegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine durch Hüttensand und/oder Kalkstein und/oder Flugasche und/oder Puzzolan und/oder Silikastaub und/oder gebrannten Schiefer gebildete weitere Hauptkomponente (17) dem Zementklinker (13) vor oder nach der Mahlung zugemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gefällte calciumcarbonathaltige Produkt (11) als Mischung aus Calciumcarbonat und Siliciumdioxyd zugegeben wird.
Anlage zur Herstellung eines hydraulischen Bindemittels (16) mit einem ersten Prozessstrang zur Herstellung von Zementklinker (13) und einem sich daran anschließenden zweiten Prozessstrang mit einer Zementklinkermahlanlage (14) zur Mahlung des Zementklinkers (13), wobei die Zementklinkermahlanlage lediglich ein Mahlaggregat in Form wenigstens einer Gutbettwalzenmühle (14a) mit zwei gegeneinander gepressten, zwischen sich einen Mahlspalt aufweisenden Mahlwalzen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein Fällungsaggregat (8) zur Herstellung eines gefällten calciumcarbonathaltigen Produkts (11) vorgesehen ist, das mit dem zweiten Prozessstrang vor oder nach der Gutbettwalzenmühle (14a) zur Vermischung des gefällten calciumcarbonathaltigen Produkts (11) mit dem Zementklinker (13) in Verbindung steht.
Anlage nach Anspruch 8, wobei der erste Prozessstrang folgende Prozessstufen aufweist: a. einen Vorwärmer (1) zum Vorwärmen von Zementrohmehl (2), b. ggf. einen Calcinator (3) zum wenigstens teilweisen Vorcalcinieren von vorgewärmtem Zementrohmehl, c. einen Ofen (4) zum Brennen des Zementrohmehls zu Zementklinker (13) und d. einen Kühler (5) zum Kühlen des Zementklinkers (13).
Anlage nach Anspruch 9, gekennzeichnet, durch eine vor dem Ofen (4) abzweigende Bypassleitung (6) zum Abziehen eines Teils des vorgewärmten und ggf. wenigstens teilweise vorcalcinierten Zementrohmehls (2'), wobei das Fällungsaggregat (8) zur Herstellung des gefällten calciumcarbonathaltigen Produkts (11) an die Bypassleitung (6) angeschlossenen ist.