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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aktivierung von Tonen zur Herstellung eines Zusatzmittels für Beton und eine dazu korrespondierende Anlage.
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Zur Herstellung von Beton als Baumaterial ist es bekannt, diesen herzustellen aus einer vorgegebenen Mischung aus gemahlenem Zementklinker als Bindemittel, Betonzusatzstoffen, welche das Abbindeverhalten des Betons und dessen rheologische Eigenschaften beeinflussen, sowie Zuschlagstoffe, wie Sand, um als Füllmittel dem Beton das notwendige Volumen zu geben. Einen wichtigen Betonzusatzstoff bildet auch aktivierter Ton. Aktivierter Ton wird durch chemisch/thermische Aktivierung von in Gruben abgebautem Ton hergestellt. Ton ist ein natürlich vorkommendes Material, das hauptsächlich aus feinkörnigen Mineralen besteht, bei ausreichenden Wassergehalten generell plastisch verformbar ist und spröde wird, wenn es getrocknet oder gebrannt wird. Obwohl Ton in der Regel Schichtsilikate enthält, kann er andere Materialien enthalten, die ihm Plastizität verleihen und aushärten, wenn sie getrocknet oder gebrannt werden. Als assoziierte Phasen kann Ton Materialien enthalten, die ihm keine Plastizität verleihen, z. B. Quarz, Calcit, Dolomit, Feldspat sowie organische Stoffe. Die Definition von Tonen ist nicht einheitlich geregelt. Jedoch gelten in den Geowissenschaften als Tonpartikel entsprechend der Norm EN ISO 14688, Partikel die kleiner sind als 2 μm, teilweise auch kleiner als 4 μm und in der Kolloidchemie gelten solche Partikel als Tonpartikel, die kleiner sind als 1 μm. Die wesentlichen Tone, auf die im Rahmen dieser Patentanmeldung eingegangen werden soll, sind Kaolinite, Illite und Montmorillonite mit den zuvor genannten Eigenschaften. Damit diese Tone als Zusatzstoff in Beton dessen Abbindeverhalten beeinflussen oder als Bindemittel im Beton teilnehmen, muss der Ton, wie eingangs erwähnt, chemisch/thermisch aktiviert werden, damit dieser mit gebranntem Kalk oder mit Zementklinker in erwünschter Weise reagiert.
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Bei der Kalzinierung von Rohmehl zur Herstellung von Zementklinker wird durch Erhitzung aus dem im Rohmehl enthaltenen Kalk als Kalziumcarbonat (CaCO3) formal Kohlendioxid (CO2) ausgetrieben. Dabei geht das Kalziumcarbonat (CaCO3) in einer Festkörperreaktion in gebrannten Kalk als Kalziumoxid (CaO) über.
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Die chemisch/thermische Aktivierung von Tonen geschieht in einem Verfahren, das der Kalzinierung von Rohmehl bei der Herstellung von Zementklinker sehr ähnlich ist, jedoch unterscheiden sich die Wärmeaufnahme des endothermen Prozesses und auch die dazu notwendigen Temperaturfenster. Das Profil der Wärmeaufnahme über den Weg des Materials in einer Anlage zur Aktivierung von Tonen unterscheidet sich deutlich von dem Wärmeaufnahmeprofil einer Anlage zur Kalzinierung von Rohmehl. Bei der chemischen/thermischen Aktivierung von Ton wird im Ton strukturell enthaltenes Wasser (H2O) durch Erhitzung ausgetrieben. Diese ”Dehydratation” des Tones wird auch ”Dehydroxilierung” genannt, wobei die Begrifflichkeiten ”Dehydratation” und ”Dehydroxilierung” in der Chemie und in der Zementindustrie unterschiedlich verwendet werden. Die Dehydroxilierung von Tonen findet in der Regel in einem Temperaturfenster zwischen 650°C und 800°C statt, wobei das optimale Temperaturfenster vom Wassergehalt im Ton und von der Präsenz von Begleitmaterialien im Ton abhängt.
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Wenngleich die Aktivierung von Ton in sogenannten Flash-Calcinatoren vorgenommen werden kann, wird der Regel Ton anders als die Kalzinierung von Rohmehl anstelle in einem Calcinator in Drehrohröfen dehydroxiliert. Es sind auch andere Verfahren zur thermischen Aktivierung von Tonen unter dem Begriff ”Flash Calcination” bekannt geworden, die beispielsweise in der internationalen Patentanmeldung
WO 98/55418 A1 offenbart werden. Auch hier überschneiden sich aufgrund der ähnlichen Verfahrensführung die Begrifflichkeiten ”Kalzinierung”, ”Aktivierung” und ”Dehydroxilierung”. Im Rahmen dieser Patentanmeldung soll mit ”Aktivierung” die chemisch/thermische Aktivierung von Ton gemeint sein.
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Einsetzbare Verfahren für die chemisch/thermische Aktivierung von Tonen in der Zementindustrie sind noch wenig verbreitet.
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In der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2008 031 165 A1 wird eine Anlage zur Herstellung von kalziniertem Ton offenbart. Diese Anlage besteht aus einer Zyklonvorwärmstufe, in die entweder anstelle der Abgase eines Drehrohrofens die Abwärme einer Brennkammer geleitet wird oder aber die Abgase eines Drehrohrofens, der durch eine Brennkammer ergänzt wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein vereinzeltes und ein in die Herstellung von Zementklinker integriertes Verfahren zur chemisch/thermischen Aktivierung von Tonen vorzuschlagen.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2 und 3 angegeben. Eine zum Verfahren korrespondierende Anlage wird in Anspruch 4 angegeben.
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Das hier vorgestellte vereinzelte Verfahren zur Aktivierung von Tonen umfasst die thermische Aktivierung von Tonen durch eine Abfolge eines Durchlaufes eines Zyklonwärmetauschers und eines Mitstromreaktors. Dabei durchläuft der zu aktivierende Ton den Zyklonwärmetauscher im Gegenstrom, wird sodann in den Mitstromreaktor geführt und anschließend wird das Gas des Mitstromreaktors gemeinsam mit dem Material wieder in den Zyklonwärmetauscher zurückgeführt, wobei sich an dieser Stelle der Weg des zu aktivierenden Tons und des Gases trennen. Der thermisch aktivierte Ton wird sodann in einer untersten Zyklonstufe des Zyklonwärmetauschers vom Gas getrennt und einer Brennluftvorwärmstufe zugeführt. Die Brennluftvorwärmstufe selbst wird mit atmosphärischer Luft aus einer Kühlstufe betrieben. Je nach Konfiguration der Anlage und des Verfahrens ist es vorgesehen, die in den Mitstromreaktor von außen eingeführte Luft aus der Atmosphäre zu entziehen und durch eine Befeuerung zu erwärmen oder die in den Mitstromreaktor eingeführte Luft der Rekuperationsluft einer Anlage zur Herstellung von Zement oder der Klinkerkühlerabluft einer solchen Anlage zu entziehen und bei Bedarf durch eine zusätzliche Befeuerung weiter zu erwärmen. Da bei diesem Prozess Wärme entsteht, die mit der Kühlerabluft und mit den Abgasen des Zyklonwärmetauschers ungenutzt in die Atmosphäre geleitet würde, kann in Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, die Abluft aus dem Kühler und/oder die Abgase aus dem Zyklonwärmetauscher einer Anlage zur Zerkleinerung des anlieferungsfeuchten Tons zuzuführen, wodurch der Ton dort bis auf eine Restfeuchtigkeit von 1 Massen-% getrocknet wird. Unter dem Begriff ”Feuchtigkeit” wird je nach Branche im Ton freies, aber physikalisch gebundenes Wasser verstanden oder aber auch chemisch gebundenes Wasser in Form von Hydratwasser verstanden. Unter ”Feuchtigkeit” im Rahmen dieser Patentanmeldung ist nur freies Wasser verstanden, das als Begleitmaterial im Ton vorhanden ist und gegebenenfalls durch Benetzung oder durch Kapillarwirkung im Ton physikalisch gebunden ist.
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Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
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1 ein Schaubild einer Anlage zur thermischen Aktivierung von Tonen als separate Anlage,
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2 ein Schaubild einer Anlage zur thermischen Aktivierung von Tonen als separate Anlage mit Vortrocknung des anlieferfeuchten Tons,
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3 ein Schaubild einer Anlage zur thermischen Aktivierung von Tonen als eine in eine Anlage zur Herstellung von Zementklinker integrierte Anlage mit Vortrocknung des anlieferfeuchten Tons.
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Das Verfahren und auch die Anlage werden anhand der Schaubilder der verschiedenen Anlagentypen erläutert.
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In 1 ist eine als separate Anlage ausgeführte Anlage 1 zur thermischen Aktivierung von Tonen dargestellt. Sowohl das Verfahren wie auch die Anlage 1 selbst werden anhand dieser 1 näher erläutert. In der hier aus einzelnen Hauptgewerken skizzierten Anlage 1 werden die notwendigen Verfahrensschritte durchgeführt.
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Der erste Verfahrensschritt ist ein Vorwärmen und Aktivieren von Ton als Rohmaterial in einem Zyklonwärmetauscher 2 im Gegenstrom eines Gasstroms, wobei der Zyklonwärmetauscher 2 in Materialflussrichtung gesehen von einem Mitstromreaktor 3 gefolgt wird. Der Gasstrom im Mitstromreaktor 3 strömt dabei in dem Zyklonwärmetauscher 2 und stammt zum Teil aus in den Mitstromreaktor 3 extern eingeführter Luft.
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Der zweite Verfahrensschritt ist ein Kühlen des aktivierten Tons in einer Brennluftvorwärmstufe 4, wobei die Brennluftvorwärmstufe 4 mit atmosphärischer Luft aus einer Kühlstufe 9 betrieben wird. Die aus der Brennluftvorwärmstufe 4 entstammende Luft wird durch eine Befeuerung 5 zusätzlich erwärmt und in den Mitstromreaktor 3 als extern eingeführte Luft geführt, wo im Mitstrom der zu aktivierenden Ton dehydroxiliert, also chemisch/thermisch aktiviert wird. Die Kühlstufe 9 wird mit atmosphärischer Luft durchströmt welche von einem Verdichter V2 angesaugt wird. Die von der Befeuerung 5 benötigte Verbrennungsluft wird aus der Abluft der Kühlstufe 9 hinter dem Ventilator V2 angesaugt und strömt durch die Brennluftvorwärmstufe 4. Wichtig ist der Weg des zu aktivierenden Tons durch die Anlage. Damit der Ton zunächst vorgewärmt wird, um das notwendige Temperaturfenster von 650°C bis 800°C zu erreichen, wird der zu aktivierende Ton bei Aufgabestelle 10 in den obersten Zyklon 2.1 des Zyklonwärmetauschers 2 aufgegeben. An dieser Stelle strömt dem noch kalten zu aktivierenden Ton noch warme Luft/Abgase aus den unteren Zyklonen des Zyklonwärmetauschers 2 entgegen, die bereits einen Teil der Wärme in den von unten in den Zyklonwärmetauscher 2 einströmenden heißen Gasen an bereits weiter im den Zyklonwärmetauscher 2 vorgedrungenen Materials abgegeben haben. Der zu aktivierende Ton verlässt den ersten Zyklon 2.1 an der unteren Kegelspitze und fällt über ein Fallrohr in den jeweils nächsten Zyklon 2.2. Die Luft, die an der unteren Kegelspitze des Zyklons 2.1 durch ein hier nicht dargestelltes Tauchrohr strömt, strömt sodann von oben ebenfalls in den nächsten Zyklon 2.2 In diesem Zyklon 2.2 ausgeschiedener zu aktivierender Ton wird sodann auf den Mitstromreaktor 3 aufgegeben. Bei der stets neuen Vermischung mit heißen Gasen und jeweils erneuter Abscheidung erwärmt sich der zu aktivierende Ton und nimmt stets weitere Wärme auf, ohne dass es zunächst zu einer Aktivierung kommt, weil die Wärmeaufnahme noch nicht ausreicht, dass der Ton die notwendige Temperatur im Fenster von 650°C bis 800°C aufweist. Im vorletzten Zyklon 2.2 wird der zu aktivierende Ton an der unteren Kegelspitze des Zyklons 2.2 ausgeschieden und in den Fuß des Mitstromreaktors 3 geleitet, wo dieser gemeinsam mit den Abgasen aus einer Brennluftvorwärmstufe 4 nach oben steigen. Die Abgase aus der der Brennluftvorwärmstufe 4 werden durch eine Befeuerung 5 erwärmt, so dass die notwendige Temperatur für die endotherme Dehydroxilierung als chemisch/thermische Aktivierung in der kurzen Verweilzeit des zu aktivierenden Tons in dem Mitstromreaktor 3 erreicht wird. An den Mitstromreaktor 3 schließt sich eine Wirbelkammer 6 an, in welcher der zu aktivierende Ton Zeit hat, vollständig zu dehydroxilieren. Die Abgase und der hier zum größten Teil aktivierte Ton fallen sodann über ein großes Fallrohr 7 als Teil des Mitstromreaktors 3 nach unten in den letzten Zyklon 2.3. Dort wird der aktivierte Ton an der unteren Kegelspitze des Zyklons 2.3 ausgeschieden und in die Brennluftvorwärmstufe 4 geleitet. Die heißen Abgase aus dem Mitstromreaktor 3 folgen im Zyklonwärmetauscher 2 jedoch entgegen der Materialstromrichtung nach oben und erwärmen den, den heißen Abgasen aus dem Mitstromreaktor 5 entgegenströmenden, zu aktivierenden Ton.
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Der aktivierte Ton, der aus der unteren Kegelspitze des letzten Zyklons 2.3 in die Brennluftvorwärmstufe 4 geleitet wird, wird dort wie auch im Zyklonwärmetauscher 2 diesmal einem in Kühlstufe 9 vorerwärmten, atmosphärischen Luftstrom ausgesetzt. Die atmosphärische Luft in der Brennluftvorwärmstufe 4 nimmt dabei die Wärme des aktivierten Tons auf und kühlt den aktivierten Ton ab. Die Brennluftvorwärmstufe 4 verlassende, erwärmte atmosphärische Luft wird so dann durch die Befeuerung 5 erwärmt und in den Mitstromreaktor 3 geleitet. Der aus der Brennluftvorwärmstufe 4 abgetrennte aktivierte Ton wird in einer Kühlstufe 9 von seiner Förderluft befreit, wobei die Förderluft der atmosphärischen Luft zum Kühlen zugeführt wird.
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Zur Gasmengensteuerung in dem Zyklonwärmetauscher 2 ist vorgesehen, dass bereits ein Teil der Abgase aus dem Mitstromreaktor 3 in Wirbelkammer 6 über einen Verdichter V1 abgezogen wird.
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In 2 ist gegenüber 1 ein weiterer Anlagenteil eingezeichnet. Im Wesentlichen entsprechend die Anlagenteile in 1 den korrespondierenden Anlagenteilen in 2. In 2 kommt noch eine Zerkleinerungsstufe 11 hinzu. In der Zerkleinerungsstufe 11 wird der vorgebrochene und anlieferungsfeuchte Ton soweit zerkleinert, dass der Ton im Gasstrom aktiviert werden kann, ohne dass freies, physikalisch gebundenes Wasser oder chemisch in Form von Hydratwasser gebundenes Wasser dem Aktivierungsprozess durch Verkapselung entzogen wird. Bei der Zerkleinerung in der Zerkleinerungsstufe 11 wird Abgas aus dem Zyklonwärmetauscher 2 und Luft aus dem Staubabscheider 9, die in 1 in die Kühlstufe 4 geleitet wird, zum Teil in die Zerkleinerungsstufe 11 geleitet. Durch ein Einstellen der Luftmengenverhältnisse der relativ warmen Abluft des Zyklonwärmetauschers 2 und der relativ kalten Luft aus dem Staubabscheider 9 über eine Stellklappe 12 wird eine Zuluft mit einer Temperatur zur Verfügung gestellt, welche ausreicht, dass der anlieferungsfeuchte Ton noch vor Aufgabe in den Zyklonwärmetauscher 2 auf eine Restfeuchtigkeit von ca. 1 Massen-% gebracht wird, wenn dieser in einem Steigrohrtrockner 13 von der Zerkleinerungsstufe 11 zur Aufgabestelle in den Zyklon Z befördert wird. Die Trocknungsluft wird mit dem zu aktivierenden Ton in den Zyklonwärmetauscher Z aufgegeben, wo die überschüssige und die Feuchtigkeit tragende Trocknungsluft vom zu aktivierend Ton durch diesen Zyklon Z abgeschieden werden und mit der restlichen Abluft des Zyklonwärmetauschers 2 vereint und verworfen wird. Der in Zyklon Z abgeschiedene zu aktivierende Ton wird an die Stelle 10 in Wärmetauscher 2 und/oder an den Fuß des Mitstromreaktors 3 aufgegeben.
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In 3 ist die Anlage aus 2 noch weiter ausgebildet. Anstelle der Luftführung aus der Vorwärmstufe 4 in den Mitstromreaktor 3 über die Befeuerung 5 ist nach dieser Ausgestaltung vorgesehen, dass ein Teil der Rekuperationsluft einer gattungsgemäßen Anlage 100 zur Herstellung von Zementklinker in den Mitstromreaktor 3 wahlweise auch über die Befeuerung 5 geleitet wird. Durch diese Integration wird ein erheblicher Anteil der in der Anlage zur Herstellung von Zement vorhandenen Abwärme in diesen Teil der Anlage geleitet, wodurch der Energieumsatz in der Befeuerung 5 entsprechend geringer ausfallen kann. Die Abluft aus der Kühlstufe kann sodann verworfen werden.
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Da die energetischen Verhältnisse bei der Aktivierung von Ton deutlich anders ausgeprägt sind als bei der endothermen Entsäuerung von Kalk, ist die Anlage zur Aktivierung von Ton einem Calcinator einer Anlage zur Herstellung von Zement zwar ähnlich aufgebaut. Da aber in dem Mitstromreaktor 3 aus dem zu aktivierenden Ton kein Kohlendioxid (CO2) ausgetrieben wird, sondern Wasser (H2O) unterscheiden sich die Wärmeaufnahme und das Redoxpotential der Abgase in dem Mitstromreaktor 3 und im Zyklonwärmetauscher 2 sehr erheblich von korrespondierenden Teilen einer Anlage zur Herstellung von Zementklinker. So stellt sich in einer Anlage zur Aktivierung von Ton kein die Wärmemenge beeinflussendes Boudouard-Gleichgeweicht zwischen Kohlenmonoxid (CO) aus der Befeuerung 5 und dem ausgetriebenen Kohlendioxid (CO2) aus dem Kalk ein. Durch die starke Feuchtigkeitsentwicklung bei der Aktivierung von Ton ist auch das Redoxpotential der Abgase anders. Die Feuchtigkeit der Luft erfordert eine ganz andere Verfahrensführung als bei der trockenen Calcinationsluft in einem bekannten Calcinator, so dass es sich hierbei nicht um eine Gestaltsübertragung eines Calcinators auf eine Anlage zur Aktivierung von Ton handelt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anlage
- 2
- Zyklonwärmetauscher
- 2.1
- Zyklon
- 2.2
- Zyklon
- 2.3
- Zyklon
- 3
- Mitstromreaktor
- 4
- Kühlstufe
- 5
- Befeuerung
- 6
- Wirbelkammer
- 7
- Fallrohr
- 9
- Staubabscheider
- 10
- Aufgabestelle
- 11
- Zerkleinerungsstufe
- 12
- Stellklappe
- 13
- Steigrohrtrockner
- V1
- Verdichter
- V2
- Verdichter
- Z
- Zyklon
