DE102021203044A1 - Control method for controlling the calcination of clays for the cement industry - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Regelungsverfahren zur Optimierung der Produktqualität bei der Calcinierung von Tonen hinsichtlich der Reaktivität des Endprodukts.The present invention relates to a control method for optimizing the product quality in the calcination of clays with regard to the reactivity of the end product.
Description
Die Erfindung betrifft ein Regelungsverfahren zur Optimierung der Produktqualität bei der Calcinierung von Tonen hinsichtlich der Reaktivität des Endprodukts.The invention relates to a control method for optimizing the product quality in the calcination of clays with regard to the reactivity of the end product.
Um die CO2-Emissionsproblematik in den Griff zu bekommen plant man heutzutage knappe Kompositmaterialien wie Hüttensand und Flugasche durch calcinierten Ton als Bestandteil in Zementen zu ersetzen.In order to get the CO 2 emission problem under control, plans are now being made to replace scarce composite materials such as blast furnace slag and fly ash with calcined clay as a cement component.
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Während bei der Umsetzung von Kalk (grob vereinfacht CaCO3) zu Zementklinker (grob vereinfacht CaO) pro Mol CaO auch ein Mol CO2 erzeugt wird, wird beim Calcinieren von Tonen nur Wasser freigesetzt. Hierbei werden die Silicate beziehungsweise Aluminate im Ton umgesetzt und von einer nicht reaktiven Form in eine reaktive Form überführt, in der die Silicate beziehungsweise Aluminate nach Reaktion in einem basischen Milieu zunächst löslich sind und weiter mit dem bei der Reaktion von Klinker freigesetzten Calcium zu Calcium-Aluminium-Silikat-Hydrat Phasen (CASH) reagieren können. Werden diese Stoffe jedoch weiter oder länger erhitzt, so gehen diese in einen glasartigen und bei weiter erhöhten Temperaturen in inerte Mineralphasen (Spinelle, Mullit) über und verlieren somit ihren reaktiven Zustand wieder.While the conversion of lime (roughly simplified CaCO 3 ) into cement clinker (roughly simplified CaO) also produces one mole of CO 2 per mole of CaO, only water is released during the calcination of clays. Here, the silicates or aluminates in the clay are converted and converted from a non-reactive form into a reactive form in which the silicates or aluminates are initially soluble after reaction in a basic environment and then further reacted with the calcium released during the reaction of clinker to form calcium Aluminum silicate hydrate phases (CASH) can react. However, if these substances are heated further or for longer, they change into a glassy phase and, at higher temperatures, into inert mineral phases (spinels, mullite) and thus lose their reactive state again.
Betrachtet man ganz exemplarisch bei einer konstanten Verweilzeit die Calcination eines theoretischen Tones bei verschiedenen Temperaturen, so stellt man fest, dass erst bei einer Temperatur über beispielsweise 500 °C ein erstes Ansteigen der Reaktivität festzustellen ist, die über 600 °C deutlich gesteigert wird. Im Bereich von beispielsweise 700 °C bis 850 °C bildet sich ein annäherndes Plateau mit maximaler Reaktivität aus. Bei Temperaturen beispielsweise oberhalb von 900 °C ist dann ein rasches Absinken der Reaktivität festzustellen. Es ist daher wünschenswert, eine Calcination möglichst im Bereich dieses Plateaus (meist aus Kostengründen am unteren Ende) durchzuführen.If you look at the calcination of a theoretical clay at different temperatures with a constant residence time, for example, you will see that the first increase in reactivity can only be observed at a temperature above 500 °C, for example, which increases significantly above 600 °C. In the range from 700 °C to 850 °C, for example, an approximate plateau with maximum reactivity forms. At temperatures above 900 °C, for example, a rapid decrease in reactivity can then be observed. It is therefore desirable to carry out a calcination as close to this plateau as possible (usually at the lower end for cost reasons).
Tone und die durch Calcinierung hieraus herstellbaren Produkte lassen sich hinsichtlich ihrer reaktiven Eigenschaften jedoch nur sehr schwer analytisch charakterisieren. Beispielsweise lassen sich mittels Röntgenbeugung gut kristalline Bestandteile wie Quarz identifizieren und quantifizieren, diese sind jedoch gerade nicht reaktiv. Daher wird teilweise versucht, mittels NIR Spektroskopie Informationen über die Zusammensetzung zu erhalten, was jedoch auch nur mangelhafte Informationen über die Reaktivität gibt.However, clays and the products that can be produced from them by calcination are very difficult to characterize analytically with regard to their reactive properties. For example, crystalline components such as quartz can be easily identified and quantified using X-ray diffraction, but these are precisely not reactive. For this reason, some attempts are being made to obtain information about the composition by means of NIR spectroscopy, which, however, gives only inadequate information about the reactivity.
Dagegen gibt es jedoch Messmethoden, die die Reaktivität calcinierter Tone gut bestimmen könne, wie beispielsweise aus F. Avet et al., Development of a new rapid, relevant and reliable (R3) test method to evaluate the puzzolanic reactivity of calcined kaolinitic clay, Cement and Concrete Research 85 (2016) 1-11, Elsevier bekannt. Diese Methode ist, wie unter Punkt 3 Methoden, Unterpunkt 3.1 auf eine Messzeit von 7 Tagen ausgelegt. Ein solcher Zeitraum macht eine aktive Regelung einer Produktionsanlage unmöglich.On the other hand, there are measurement methods that can determine the reactivity of calcined clays well, such as from F. Avet et al., Development of a new rapid, relevant and reliable (R 3 ) test method to evaluate the pozzolanic reactivity of calcined kaolinitic clay, Cement and Concrete Research 85 (2016) 1-11, Elsevier. This The method is designed for a measurement time of 7 days, as in point 3 Methods, sub-point 3.1. Such a period makes active control of a production plant impossible.
Aus der
Aufgabe der Erfindung ist es, eine neuartige Regelung zu schaffen, die nicht auf andere Stoffparameter, sondern auf die tatsächliche Reaktivität abzielt und als zeitnahe Rückkopplung und somit aktive Regelung verwendbar ist.The object of the invention is to create a new type of control that is not aimed at other material parameters but at the actual reactivity and can be used as real-time feedback and thus active control.
Gelöst wird diese Aufgabe durch das Regelungsverfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.This problem is solved by the control method with the features specified in claim 1. Advantageous developments result from the dependent claims, the following description and the drawings.
Das erfindungsgemäße Regelungsverfahren dient zur Regelung eines Herstellungsverfahrens für calcinierte Tone mit einem Calcinator. Derartige Verfahren sind umfänglich aus dem Stand der Technik bekannt. Das Regelungsverfahren ist vom konkreten Herstellungsverfahren unabhängig und lässt sich auf alle entsprechenden Verfahrensvarianten für die Herstellung calcinierter Tone anwenden. Das Regelungsverfahren weist die folgenden Schritte auf:
- a) Erfassen wenigstens einer Temperatur im Calcinator und optional einer ersten mittleren Verweilzeit des Tones im Calcinator,
- b) Entnehmen wenigstens einer Probe des calcinierten Tones,
- c) Herstellen einer reproduzierbaren Größenverteilung der Probe,
- d) Einstellen der Probenmasse auf eine vordefinierte Probenmasse,
- e) Temperieren der Probe auf eine erste Messtemperatur,
- f) Vermengen der Probe mit einer Lauge, welche bevorzugt ebenfalls auf eine erste Messtemperatur temperiert ist,
- g) Zeitliches Erfassen der von der Probe-Laugen-Mischung erzeugten Energie bei konstanter erster Messtemperatur für einen ersten Zeitraum,
- h) Quantitatives Auswerten des in Schritt g) erfassten Zeit-Energie-Verlaufs für die erste exotherme Reaktion und Ermitteln der durch die Probe freigesetzten Energiemenge für die erste exotherme Reaktion,
- i) Korrelation der in Schritt h) erfassten Energiemenge mit der in Schritt a) erfassten Temperatur und Verweilzeit sowie Vergleich mit vorher erfassten Wertekombinationen aus Energiemenge, Temperatur und Verweilzeit,
- j) Aktives Regeln der Temperatur und/oder der Verweilzeit im Calcinator in Richtung der Erhöhung der für eine weitere Probe zu erwartende Energiemenge.
- a) detecting at least one temperature in the calciner and optionally a first average residence time of the clay in the calciner,
- b) taking at least one sample of the calcined clay,
- c) production of a reproducible size distribution of the sample,
- d) setting the sample mass to a predefined sample mass,
- e) tempering the sample to a first measurement temperature,
- f) Mixing the sample with a lye, which is preferably also tempered to a first measurement temperature,
- g) Temporal recording of the energy generated by the sample-liquor mixture at a constant first measurement temperature for a first period of time,
- h) quantitative evaluation of the time-energy curve recorded in step g) for the first exothermic reaction and determination of the amount of energy released by the sample for the first exothermic reaction,
- i) Correlation of the amount of energy recorded in step h) with the temperature and residence time recorded in step a) and comparison with previously recorded value combinations of energy quantity, temperature and residence time,
- j) Actively controlling the temperature and/or the residence time in the calciner in the direction of increasing the amount of energy to be expected for a further sample.
In Schritt a) wird die Temperatur im Calcinator erfasst. Da die Temperatur im Calcinator an verschiedenen Stellen unterschiedlich ist, ist für das Verfahren vor allem wesentlich, dass die Temperatur immer in gleicher Weise, also beispielsweise mit dem gleichen Messfühler an der gleichen Stelle gemessen wird. Zusätzlich können natürlich auch an weiteren Stellen weitere Temperaturen erfasst und berücksichtig werden, um ein genaueres Bild zu ergeben, beispielsweise, wenn durch die Verwendung sehr unterschiedlicher Brennstoff mit sehr unterschiedlichen Brennverhalten unterschiedliche Temperaturverläufe erzielt werden würden.In step a), the temperature in the calciner is recorded. Since the temperature in the calciner varies at different points, it is essential for the method that the temperature is always measured in the same way, for example with the same sensor at the same point. In addition, other temperatures can of course also be recorded and taken into account at other points in order to produce a more precise picture, for example if different temperature profiles are achieved through the use of very different fuels with very different combustion behavior.
In Schritt a) kann weiter auch die mittlere Verweilzeit erfasst werden, sofern diese gezielt, insbesondere getrennt von der Temperatur im Calcinator regelbar ist. Ist die Verweilzeit nicht einstellbar, insbesondere nicht veränderbar oder nur durch eine Temperaturänderung veränderbar, so ist eine zusätzliche Erfassung der Verweilzeit neben der Temperatur im Calcinator nicht nötig.In step a), the average residence time can also be recorded, provided that this can be controlled in a targeted manner, in particular separately from the temperature in the calciner. If the dwell time cannot be adjusted, in particular cannot be changed or can only be changed by changing the temperature, it is not necessary to record the dwell time in addition to the temperature in the calciner.
Das Entnehmen der Probe des calcinierten Tones in Schritt b) kann bevorzugt automatisiert erfolgen. Bevorzugt ist die automatisierte Probenentnahme an eine automatisierte Probenvorbereitung angebunden. Die entnommene Probe kann deutlich größer als die vordefinierte Probenmasse sein, um zusätzlich zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahren auch gleichzeitig ein Rückstellmuster aus der genommenen Probe entnehmen zu können.The sampling of the calcined clay in step b) can preferably be automated. The automated sampling is preferably connected to an automated sample preparation. The sample taken can be significantly larger than the predefined sample mass in order to be able to simultaneously take a reference sample from the sample taken in addition to carrying out the method according to the invention.
Wesentlich ist, dass in Schritt h) ausschließlich der sogenannte Initialpeak, die erste messbare exotherme Reaktion erfasst wird. Während die weiteren Schritte über einen Zeitraum von bis zu sieben Tagen ablaufen und ein exaktes Abbild über die Reaktivität und das Abbindeverhalten geben wird erfindungsgemäß ausschließlich dieser erste Reaktionsschritt betrachtet. Es hat sich gezeigt, dass die hier freigesetzte Wärmemenge eine sehr gute Korrelation zur Reaktivität des calcinierten Tones aufweist. Bisher wurde dieser Bereich regelmäßig nicht beachtet, da zum einen auch eine rasche händische Probenpräparation mehrere Minuten andauert, zum anderen durch das Öffnen der Messzelle eine thermische Störung eingebracht wird, die eine Verifizierung der sogenannten Basislinie erfordert. Beide Effekte stören durch Variation in Dauer und Intensität den Anfangsbereich der Messung, welcher bereits den initialen Peak aufweist. Daher ist erfindungswesentlich, dass eine für alle Proben vergleichbare Größenverteilung eingestellt wird. Hierbei ist weniger relevant eine bestimmte mittlere Größe oder eine bestimmte Breite der Größenverteilung einzustellen und die genaue Kenntnis der Größenverteilung ist auch nicht notwendig. Es reicht lediglich, wenn eine Kontinuität über alle Messung erreicht werden kann. Bevorzugt erfolgt das Herstellen einer reproduzierbaren Größenverteilung der Probe in Schritt c) durch Mahlen. Es hat sich herausgestellt, dass sich bei immer gleicher Präparation in der gleichen Mühle für die gleiche Zeit auch bei gewissen Schwankungen in der ursprünglichen Probe eine ausreichend einheitliche Größenverteilung einstellt. Besonders bevorzugt erfolgt die Probenpräparation daher auch automatisiert, da hierdurch die Gleichmäßigkeit weiter gesteigert werden kann.It is essential that in step h) only the so-called initial peak, the first measurable exothermic reaction, is recorded. While the further steps take place over a period of up to seven days and give an exact picture of the reactivity and the setting behavior, according to the invention only this first reaction step is considered. It has been shown that the amount of heat released here has a very good correlation to the reactivity of the calcined clay. Up until now, this area has not been taken into account, because, on the one hand, quick manual sample preparation takes several minutes and, on the other hand, opening the measuring cell introduces a thermal disturbance that requires a verification of the so-called baseline. Both effects disturb the initial range of the measurement, which already shows the initial peak, due to the variation in duration and intensity. It is therefore essential to the invention that a size comparable for all samples distribution is set. Setting a specific average size or a specific width of the size distribution is less relevant here, and precise knowledge of the size distribution is also not necessary. It is only sufficient if continuity can be achieved across all measurements. A reproducible size distribution of the sample is preferably produced in step c) by grinding. It has been found that with the same preparation in the same mill for the same time, a sufficiently uniform size distribution is established even with certain fluctuations in the original sample. The sample preparation is therefore also particularly preferably automated, since this can further increase the uniformity.
Ebenso hat sich als sehr vorteilhaft herausgestellt die Probe auf die erste Messtemperatur einzustellen. Dieses kann neben dem Schritt e) auch bereits früher erfolgen. Während eines Mahlvorganges wird jedoch regelmäßig vergleichsweise viel Energie eingetragen, sodass es zu einer Erwärmung der Probe kommt. Besonders bevorzugt ist auch die in Schritt f) zugegebene Lauge bereits vor der Zugabe auf genau die erste Messtemperatur temperiert. Je näher die in die Messung eingebrachte Probe-Laugen-Mischung der ersten Temperatur kommt, umso exakter sind die Messergebnisse für den Initialpeak, welcher in Schritt g) erfasst und in Schritt h) ausgewertet wird.Adjusting the sample to the first measurement temperature has also proven to be very advantageous. In addition to step e), this can also take place earlier. However, a comparatively large amount of energy is regularly introduced during a grinding process, so that the sample heats up. The lye added in step f) is also particularly preferably tempered to exactly the first measuring temperature before the addition. The closer the sample-lye mixture introduced into the measurement comes to the first temperature, the more exact are the measurement results for the initial peak, which is recorded in step g) and evaluated in step h).
Besonders bevorzugt wird die Messung so schnell wie möglich nach der Zugabe der Lauge zur Probe begonnen. Dieses wird zum einen dadurch erleichtert, wenn bereits beide Komponenten vor dem Zusammenbringen bereits die gleiche erste Messtemperatur aufweisen. Zum anderen erfolgt das Vermengen in Schritt f) mit möglichst geringem Energieeintrag, beispielsweise mittels Ultraschall oder einem intensiven Mischer auf Basis von Pressluft. Es wird ein kurzes inniges Vermischen bevorzugt, um anschließend die Probe ohne weitere Temperierungszeiten vermessen zu können, da die Reaktion zwischen dem calcinierten Ton und der Lauge unmittelbar mit der Zugabe beginnt. Elektrische oder mechanische Mischvorrichtungen sind nur dann geeignet, wenn eine Einbringung von Wärme deutlich unterhalb der bei der Reaktion freigesetzten Wärme sichergestellt werden kann.Most preferably, the measurement is started as soon as possible after adding the base to the sample. On the one hand, this is made easier if both components already have the same first measurement temperature before they are brought together. On the other hand, the mixing in step f) takes place with as little energy input as possible, for example by means of ultrasound or an intensive mixer based on compressed air. Brief, intimate mixing is preferred so that the sample can then be measured without further tempering times, since the reaction between the calcined clay and the lye begins immediately with the addition. Electrical or mechanical mixing devices are only suitable if it is possible to ensure the introduction of heat that is well below the heat released during the reaction.
Diese Fokussierung auf eine Vergleichmäßigung und thermische Stabilisierung der Probe vor der Laugenzugabe und dem Messbeginn führt dazu, dass bereits der Initialpeak aussagekräftig ausgewertet werden kann.This focus on equalization and thermal stabilization of the sample before adding the caustic solution and starting the measurement means that the initial peak can already be meaningfully evaluated.
In Schritt i) erfolgt eine Korrelation, um daraus eine Regelungsaussage für das aktive Regeln in Schritt j) zu bekommen. Hierbei ist eine Korrelation zwischen der in Schritt h) ermittelten Energiemenge mit der in Schritt a) erfassten Temperatur notwendig, da die Reaktivität und damit die durch den Initialpeak erfasste Energiemenge keine monoton steigende oder fallende Abhängigkeit von der Temperatur aufweist, sondern ein Maximum im Optimum erreicht. Stellt man nun im Vergleich mit vorherigen Messwerten eine abfallende Energiemenge und damit ein Abfall der Reaktivität des Produktes fest, so würde sich alleine aus dieser Information noch nicht ergeben, ob die Temperatur zur Wiedererlangung des Optimums gesteigert oder gesenkt werden muss. Dieses ergibt sich erst aus der Korrelation mit den jeweiligen Temperaturwerten. Erschwerend kommt hinzu, dass auch die Edukte, die eingesetzten Tone, unterschiedlich ausfallen, sodass gegebenenfalls nach einer Korrektur in einem nächsten Zyklus festgestellt wird, dass die Korrektur in die andere Richtung hätte erfolgen müssen und dann entsprechend korrigiert wird. Hierbei muss nicht zwingend auf das Maximum geregelt werden, zumal das Maximum Bestandteil eines Plateaus ist, sodass eine Regelung eher darauf abzielt, sich innerhalb des Plateaus zu bewegen. Hierbei kann zur Regelung auch der Energiebedarf der Anlage hinzugezogen werden, sodass beispielsweise zur Verminderung der Heizkosten und der damit verbundenen Emissionen eher am unteren (kälteren) Ende des Plateaus produziert wird. Ebenso können weitere Parameter als zusätzliche Regelkriterien zur Optimierung innerhalb des Plateaus herangezogen werden.A correlation is carried out in step i) in order to obtain a control statement for the active control in step j). A correlation between the amount of energy determined in step h) and the temperature recorded in step a) is necessary here, since the reactivity and thus the amount of energy recorded by the initial peak does not show a monotonically increasing or decreasing dependence on the temperature, but rather reaches a maximum in the optimum . If, in comparison with previous measured values, a falling amount of energy and thus a drop in the reactivity of the product is determined, this information alone would not yet indicate whether the temperature must be increased or decreased to regain the optimum. This only results from the correlation with the respective temperature values. A further complication is that the educts, the clays used, are also different, so that it may be determined after a correction in the next cycle that the correction should have been made in the other direction and then corrected accordingly. In this case, it is not absolutely necessary to regulate to the maximum, especially since the maximum is part of a plateau, so that regulation is more aimed at moving within the plateau. The energy requirement of the system can also be included in the regulation, so that, for example, to reduce heating costs and the associated emissions, production tends to be at the lower (colder) end of the plateau. Other parameters can also be used as additional control criteria for optimization within the plateau.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird als Lauge in Schritt f) eine Alkalihydroxidlösung mit einem pH zwischen 9 und 15, bevorzugt zwischen 10,25 und 15, weiter bevorzugt zwischen 12 und 14,6, ausgewählt. Besonders bevorzugt ist die Lauge eine wässrige Natronlauge mit einer Konzentration zwischen 0,1 mol/l und 1 mol/l. Beispielsweise wird eine Natronlauge mit einer Konzentration von 1 mol/i verwendet (pH ~ 14).In a further embodiment of the invention, an alkali metal hydroxide solution with a pH between 9 and 15, preferably between 10.25 and 15, more preferably between 12 and 14.6, is selected as the lye in step f). The lye is particularly preferably an aqueous sodium hydroxide solution with a concentration of between 0.1 mol /l and 1 mol /l. For example, a sodium hydroxide solution with a concentration of 1 mol /i is used (pH ~ 14).
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung entspricht die Zugabemasse der Lauge dem 1 fachen bis 5fachen, bevorzugt den 2fachen bis 3fachen, der Masse der Probe. Werden also beispielsweise 5 g als vordefinierte Probenmasse eingesetzt, so werden 5 bis 15 g einer beispielsweise 1 mol/l wässrigen Natriumhydroxidlösung, beispielsweise 10 g zu der Probe gegeben und mit dieser vermengt. Hierdurch wird zum einen eine Ausreichende Menge an Hydroxydionen zur Verfügung gestellt. Außerdem steht auch genügend Volumen zur Verfügung, um die Probenoberfläche vollständig zu benetzen und auch alle Poren zu füllen. Die zugegebene Laugenmenge wird dabei bevorzugt automatisiert im gleichen Verhältnis an geringfügig durch eventuelle Einwaageunterschiede an die, anhand einer festgestellten vom Sollwert abweichenden Probenmengen, angepasst. Somit wird ein konstantes Verhältnis zwischen Probe und Lauge sichergestellt. Dieses erleichtert auch eine anschließende Normierung der erhaltenen Energie des Initialpeaks auf die exakte Einwaage.In a further embodiment of the invention, the added mass of the lye corresponds to 1 to 5 times, preferably 2 to 3 times, the mass of the sample. If, for example, 5 g is used as a predefined sample mass, then 5 to 15 g of a 1 mol /l aqueous sodium hydroxide solution, for example 10 g, are added to the sample and mixed with it. As a result, on the one hand, a sufficient amount of hydroxide ions is made available. In addition, there is also enough volume available to completely wet the sample surface and also to fill all pores. The amount of lye added is preferably automated in the same ratio to the sample amounts determined to deviate from the target value, customized. This ensures a constant ratio between sample and lye. This also facilitates a subsequent normalization of the energy obtained from the initial peak to the exact weight.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden als Lauge in Schritt f) ein Laugenbildner und Wasser zugegeben, wobei der Laugenbildner und das Wasser in Reaktion miteinander eine Lösung mit einem pH zwischen 9 und 15, bevorzugt zwischen 10,25 und 15, weiter bevorzugt zwischen 12 und 14,6, erzeugen. Beispielsweise und insbesondere ist der Laugenbildner ausgewählt aus der Gruppe umfassend Alkalihydroxid, Alkalioxid, Erdalkalihydroxid, Erdalkalioxid sowie Stoffe, Gemische oder Zusammensetzungen, die diese enthalten oder bei Reaktion mit Wasser freisetzen. Insbesondere kann das Erdalkalioxid Calciumoxid sein, besonders bevorzugt ist eine Zusammensetzung, welche Calciumoxid enthält, ein Zementklinker. Beispielsweise kann eine Probe von 2.5 g calciniertem Ton mit 2.5 g Zementklinker und 5 g Wasser gemischt werden. Hierdurch kann die Reaktivität des calcinierten Tones in einer besonders anwendungsnahen Umgebung untersucht werden.In a further embodiment of the invention, a lye former and water are added as the lye in step f), the lye former and the water reacting with one another to form a solution with a pH between 9 and 15, preferably between 10.25 and 15, more preferably between 12 and 14.6. For example and in particular, the lye-forming agent is selected from the group comprising alkali metal hydroxide, alkali metal oxide, alkaline earth metal hydroxide, alkaline earth metal oxide and substances, mixtures or compositions which contain these or release them on reaction with water. In particular, the alkaline earth metal oxide can be calcium oxide; a composition which contains calcium oxide is particularly preferably a cement clinker. For example, a 2.5 g sample of calcined clay can be mixed with 2.5 g cement clinker and 5 g water. This allows the reactivity of the calcined clay to be examined in a particularly practical environment.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgen die Schritte c) bis g) automatisiert in einer auf die erste Messtemperatur klimatisierten Umgebung. Hierdurch kann die Probe relativ schnell thermisch stabilisiert werden.In a further embodiment of the invention, steps c) to g) take place automatically in an environment that is air-conditioned to the first measurement temperature. This allows the sample to be thermally stabilized relatively quickly.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Probenmasse in Schritt d) auf wenigstens 2 % genau, bevorzugt wenigstens 0,5 % genau, weiter bevorzugt wenigstens 0,1 % genau, besonders bevorzugt auf wenigstens 0,02 % genau, auf die vorgegebene Probenmasse eingestellt. Je genauer die Probenmasse auf die vorgegebene Probenmasse eingestellt wird, umso geringer ist der Einfluss auf die im Initialpeak freigesetzte Energiemenge. Wird die zugegebene Laugenmenge auf die exakte Einwaage angepasst, so ist eine anschließende Normierung ebenfalls leichter möglich.In a further embodiment of the invention, the sample mass in step d) is accurate to at least 2%, preferably at least 0.5%, more preferably at least 0.1%, particularly preferably at least 0.02%, of the specified sample mass set. The more precisely the sample mass is adjusted to the specified sample mass, the smaller the influence on the amount of energy released in the initial peak. If the amount of lye added is adjusted to the exact weight, subsequent standardization is also easier.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt die quantitative Auswerten des in Schritt g) erfassten Zeit-Energie-Verlaufs für die erste exotherme Reaktion für den Zeitraum von der zweiten Minute bis zur 120. Minute, bevorzugt von der zweiten Minute bis zur 70. Minute. Bevorzugt werden somit lediglich die ersten zwei Minuten nicht betrachtet, um Artefakte aus der Probenpräparation auszuschließen. Somit wird nicht für die volle Reaktionszeit von etwa 7 Tagen betrachtet, sondern nur für den Zeitraum von rund einer Stunde. Dieses ermöglicht auch eine zeitnahe Rückkopplung zum Herstellungsverfahren. Dieses Zeitfenster hat sich als aussagekräftig und dennoch kurz genug erwiesen. Natürlich wäre es vorteilhaft, wenn Laugenzugabe und Mischvorgang bereits innerhalb der Erfassung erfolgen könnte, sodass auch der unmittelbare Beginn, also der Zeitraum der ersten zwei Minuten mit erfassbar wäre.In a further embodiment of the invention, the time-energy curve recorded in step g) is quantitatively evaluated for the first exothermic reaction for the period from the second minute to the 120th minute, preferably from the second minute to the 70th minute. Thus, preferably only the first two minutes are not considered in order to rule out artefacts from the sample preparation. Thus, the full response time of about 7 days is not considered, but only for a period of about one hour. This also enables timely feedback on the manufacturing process. This time window has proven to be meaningful, yet short enough. Of course, it would be advantageous if the addition of suds and the mixing process could already take place within the recording, so that the immediate beginning, i.e. the period of the first two minutes, could also be recorded.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die erste Temperatur im Bereich von 20 °C bis 40 °C gewählt. Beispielsweise und bevorzugt wird in Europa 20 °c, 21 °C oder 22 °C gewählt, während in wärmeren Regionen, beispielsweise den Subtropen, eine Temperatur von beispielsweise 27 °C gewählt wird. Eine höhere Temperatur, zum Beispiel 38 °C bis 40 °C, kann gewählt werden, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen und damit das Zeitintervall für den Initialpeak zu verkürzen. Eine höhere Temperatur ist möglich, benötigt jedoch einen höheren Heizaufwand und damit laufende Kosten.In a further embodiment of the invention, the first temperature is selected in the range from 20°C to 40°C. By way of example and preferably, 20° C., 21° C. or 22° C. is selected in Europe, while in warmer regions, for example the subtropics, a temperature of for example 27° C. is selected. A higher temperature, e.g. 38 °C to 40 °C, can be chosen to increase the reaction rate and thus reduce the time interval for the initial peak. A higher temperature is possible, but requires more heating and therefore running costs.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird neben der ersten Messtemperatur das Verfahren alternierend oder parallel mit einer zweiten Messtemperatur durchgeführt. Beispielsweise wird 20 °C als erste Messtemperatur und 40 °C als zweite Messtemperatur gewählt. Hierdurch kann eine zusätzliche Information über den thermischen Einfluss der Temperatur auf die Reaktivität über die Aktivierungsenergie ermittelt werden.In a further embodiment of the invention, in addition to the first measurement temperature, the method is carried out alternately or in parallel with a second measurement temperature. For example, 20 °C is selected as the first measurement temperature and 40 °C as the second measurement temperature. In this way, additional information about the thermal influence of the temperature on the reactivity can be determined via the activation energy.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die vordefinierte Probenmasse zwischen 1 g und 200 g, bevorzugt zwischen 2 g und 20 g, ausgewählt.In a further embodiment of the invention, the predefined sample mass is selected between 1 g and 200 g, preferably between 2 g and 20 g.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird in Schritt a) zusätzlich erfasst, aus welchen Eduktchargen in welchem Mischungsverhältnis der Ton der Calcination zugeführt wird. Beispielsweise kann eine Eduktcharge eine Halde oder ein ähnlicher Lagerbereich mit einem im Regelfall einheitlichem Material sein. In Schritt i) wird zusätzlich die Information aus welchen Eduktchargen in welchem Mischungsverhältnis der Ton der Calcination zugeführt wurde, verwendet. Insbesondere wird berücksichtigt, welche Eduktchargen bei einem höheren Mischungsanteil zu einer höheren oder geringeren Reaktivität führen. Hierdurch kann die gewünschte Zielreaktivität für das Produkt mit den geringsten Eduktreaktivitäten und damit dem günstigsten Ausgangsmaterial hergestellt werden. Zur Regelung in Schritt j) wird somit zusätzlich die Auswahl und das Mischungsverhältnis zwischen den Eduktchargen berücksichtigt.In a further embodiment of the invention, in step a) it is additionally recorded from which educt batches and in which mixing ratio the clay is fed to the calcination. For example, an educt batch can be a stockpile or a similar storage area with a generally uniform material. In step i), the information from which educt batches and in which mixing ratio the clay was added to the calcination is also used. In particular, it is taken into account which educt batches lead to a higher or lower reactivity with a higher proportion of the mixture. As a result, the desired target reactivity for the product can be produced with the lowest starting material reactivities and thus the cheapest starting material. The selection and the mixing ratio between the educt batches are therefore also taken into account for the regulation in step j).
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Regelungsverfahren zusätzlich zur Charakterisierung jeder Produktcharge ein Chargencharakterisierungsverfahren auf, wobei das Chargencharakterisierungsverfahren mit den folgenden Schritten durchgeführt wird:
- A) Erwärmen einer Chargenprobe auf eine Chargentemperatur von 600 °C bis 1000 °C, bevorzugt 600 °C bis 950 °C für eine Chargenzeit von 1 s
bis 60 min, bevorzugt von 30 sbis 20 min, besonders bevorzugt von 30 s bis 5 min, - B) Herstellen einer reproduzierbaren Größenverteilung der Chargenprobe,
- C) Einstellen der Chargenprobenmasse auf eine vordefinierte Probenmasse,
- D) Temperieren der Chargenprobe auf eine erste Messtemperatur,
- E) Vermengen der Chargenprobe mit einer Lauge,
- F) Zeitliches Erfassen der von der Chargenprobe-Laugen-Mischung erzeugten Energie bei konstanter erster Messtemperatur für einen ersten Zeitraum,
- G) Quantitatives Auswerten des in Schritt F) erfassten Zeit-Energie-Verlaufs für die erste exotherme Reaktion und Ermitteln der durch die Chargenprobe freigesetzten Energiemenge für die erste exotherme Reaktion.
- A) heating a batch sample to a batch temperature of 600 °C to 1000 °C, preferably 600 °C to 950 °C for a batch time of 1 s to 60 min, preferably 30 s to 20 min, particularly preferably 30 s to 5 minutes,
- B) Establishing a reproducible size distribution of the batch sample,
- C) setting the batch sample mass to a predefined sample mass,
- D) temperature control of the batch sample to a first measurement temperature,
- E) mixing the batch sample with a lye,
- F) timing the energy generated by the batch sample-liquor mixture at a constant first measurement temperature for a first period of time,
- G) Quantitative evaluation of the time-energy curve recorded in step F) for the first exothermic reaction and determination of the amount of energy released by the batch sample for the first exothermic reaction.
In Schritt A) wird somit eine modellhafte Calcination der Chargenprobe vorgenommen. Dieses erfolgt bevorzugt unter stark kontrollierten Laborbedingungen und somit unter klar reproduzierbaren Bedingungen. Diese so vorbereitete Chargenprobe wird anschließend wie die normale Probe aus dem Herstellungsverfahren behandelt. Somit wird Schritt B) identisch ausgeführt wie Schritt c), Schritt C) wird identisch wie Schritt d) ausgeführt, Schritt D) wird identisch wie Schritt e) ausgeführt, Schritt E) wird identisch wie Schritt f) ausgeführt, Schritt F) wird identisch mit Schritt g) ausgeführt, Schritt G) wird identisch wie Schritt h) ausgeführt. Dieses gilt insbesondere auch für Weiterbildungen der Verfahrensschritte des Regelungsverfahrens, die entsprechend im Chargencharakterisierungsverfahren angewendet werden.In step A), a model calcination of the batch sample is thus carried out. This preferably takes place under strictly controlled laboratory conditions and thus under clearly reproducible conditions. This batch sample prepared in this way is then treated like the normal sample from the manufacturing process. Thus, step B) is performed identically to step c), step C) is performed identically to step d), step D) is performed identically to step e), step E) is performed identically to step f), step F) becomes identical carried out with step g), step G) is carried out identically to step h). This also applies in particular to further developments of the process steps of the control process that are used accordingly in the batch characterization process.
In Schritt A) kann die Präparation beispielsweise in einem Tiegel in einem Muffelofen erfolgen. Für ein derartiges Verfahren ist oftmals ein Zeitraum von 15 min bis 1 h notwendig. Vorteilhaft wird die Präparation jedoch direkt auf einem heißen und beheizten Metall erfolgen, auf welchem die Probe gleichzeitig durch die Heizeinrichtung transportiert wird. Durch den direkteren Kontakt und den damit verbesserten Wärmeübergang sind deutlich kürzere Zeiten, insbesondere zwischen 1 min und 5 min möglich.In step A), the preparation can be carried out, for example, in a crucible in a muffle furnace. A period of 15 minutes to 1 hour is often necessary for such a method. However, the preparation is advantageously carried out directly on a hot and heated metal, on which the sample is simultaneously transported through the heating device. Due to the more direct contact and the resulting improved heat transfer, significantly shorter times, in particular between 1 minute and 5 minutes, are possible.
Insbesondere kann hierdurch auch bereits vor dem Verwenden neuer Ausgangsstoffe eine erste Datengrundlage für das Regelungsverfahren in Schritt i) verwendet werden, bevor Daten aus dem Herstellungsverfahren vorliegen.In particular, a first database can be used for the control method in step i) even before new starting materials are used, before data from the production method are available.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das in Schritt A) für alle Chargenproben eine identische erste Chargentemperatur und eine identische erste Chargenzeit gewählt.In a further embodiment of the invention, an identical first batch temperature and an identical first batch time are selected in step A) for all batch samples.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Chargencharakterisierungsverfahren mit einer zweiten Chargentemperatur und eine zweiten Chargenzeit wiederholt. Beispielsweise ist die erste Chargentemperatur 750 °C und die zweite Chargentemperatur 850 °C. Um die Genauigkeit zu erhöhen sind natürlich auch weitere Chargentemperaturen und/oder Chargenzeiten denkbar.In another embodiment of the invention, the batch characterization method is repeated with a second batch temperature and a second batch time. For example, the first batch temperature is 750°C and the second batch temperature is 850°C. In order to increase the accuracy, other batch temperatures and/or batch times are of course also conceivable.
Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Regelungsverfahren anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
-
1 Schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens -
2 Initialpeak -
3 Reaktivität in Abhängigkeit der Calcinationstemperatur -
4 Automatisierte Analysevorrichtung in der Draufsicht
-
1 Schematic representation of a device for carrying out the method -
2 initial peak -
3 Reactivity as a function of the calcination temperature -
4 Automated analyzer in top view
In
In
In
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- Analysevorrichtunganalysis device
- 2020
- Calcinatorcalciner
- 3030
- Produktentnahmeproduct withdrawal
- 4040
- Produktlagerproduct warehouse
- 5050
- Probenentnahmesampling
- 6060
- MühleMill
- 7070
- WaageScale
- 8080
- Mischvorrichtungmixing device
- 9090
- Laugenvorratlye supply
- 100100
- isothermes Kalorimeterisothermal calorimeter
- 110110
- Analyseelektronikanalysis electronics
- 120120
- Steuerelektronikcontrol electronics
- 130130
- Laugenzugabevorrichtungsuds addition device
- 140140
- Probenbehältervorratsample container stock
- 150150
- Lager- und TemperierbereichStorage and temperature control area
- 160160
- Roboterrobot
- 170170
- Probenzuführungsample introduction
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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