DE4103412C2 - Verfahren zur Herstellung einer zu einem Bau- und/oder Dichtungsstoff hydratationsfähigen Masse unter Verwendung von Filterasche - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer zu einem Bau- und/oder Dichtungsstoff hydratationsfähigen Masse unter Verwendung von Filterasche, in dem die Filterasche unter Zugabe von Wasser verrührt und die Masse zu dem Bau- und/oder Dichtungsstoff weiterverarbeitet wird. Das Verfahren läßt sich für Aschen und/oder Aschekomponenten aus Elektro­ filtern, Zyklonen oder Gewebefiltern an mit festen Brennstoffen befeuerten Dampferzeugern anwenden. Ein bevorzugtes Anwendungs­ gebiet bildet die mitteldeutsche Braunkohle.

Ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art ist aus der DD 2 44 546 A1 bekannt. Dabei wird unter Verwendung von Filterasche eine Spezialbetonmasse hergestellt, indem aus der Asche und dem Wasser eine Suspension gebildet wird. Bei der Herstellung einer Suspension wird typischerweise mit Wasser im Überschuß gearbei­ tet, so daß sich nachteilige Absetz- und Entmischungserscheinun­ gen nicht vermeiden lassen. Außerdem entsteht das Überschutz­ wasser als schwerbelastetes Abwasser, welches entsprechend behandelt werden muß. Innerhalb der Asche-Wasser-Suspension wird mit einem Wasser-Asche-Faktor von 0,4 bis 1,2 bearbeitet. Danach wird ein stark wasserbindender, die Erhärtung und/oder die Bindigkeit beeinflussender Stoff zugegeben. Dieser Stoff kann ein mineralischer Stoff, beispielsweise Zement, sein, so daaß die angestrebte Spezialbetonmasse entsteht.

Aus der DE 38 18 774 A1 ist eine hydraulisch abbindende Bau­ stoffmischung bekannt, deren wesentliche Bestandteile immer eine Asche und eine Hochofenschlacke sind.

Die DE 31 37 394 A1 zeigt einen Oberbau für den Straßenbau. Dabei wird eine Tragschicht beschrieben, die zumindest teilweise aus korngestufter Müllverbrennungsschlacke und einem hydrau­ lischen Bindemittel besteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art aufzuzeigen, mit dem es möglich ist, Filteraschen und/oder Filteraschekomponenten umweltverträglicher zu einem Bau- und/oder Dichtungsstoff weiterzuverarbeiten.

Erfindungsgemäß wird dies bei dem Verfahren der eingangs beschriebenen Art dadurch erreicht, daß für Mischungen aus mindestens zwei Filteraschen und/oder Filteraschekomponenten, die unterschiedliche Körnungsbänder aufweisen, der jeweilige Wasseranspruch für die Herstellung von dem jeweiligen Mischungs­ verhältnis entsprechenden Dispersionen ermittelt wird, und daß die Filteraschen und/oder Filteraschekomponenten in einem Mischungsverhältnis, das außerhalb des Maximums oder eines relativen Maximums des Kurvenverlaufs des A/W-Wertes im Bereich eines relativen Minimums des A/W-Wertes oder eines Bereiches mit relativ geringer A/W-Wert-Änderung liegt, gemischt und zu einer Dispersion verrührt werden.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß Filteraschen bei aufgebrachten Scherbewegungen und spezifischem Wasserzusatz eine stabile, fließende Dispersion bilden, aus der nach Bewegungsende unabhängig von vorhandenen hydraulischen Phasen kein Überschuß­ wasser ausfällt. Dies ist auch dann der Fall, wenn die Schütt­ dichten der Filteraschen - wie bei Filteraschen der im Rost­ kessel verbrannten Rohbraunkohle möglich - lediglich 0,35 bis 0,4 t/m³ betragen. Es werden mindestens zwei Filteraschen und/oder Filteraschekomponenten, die unterschiedliche Körnungs­ bänder aufweisen, in einer Reihe von Vorversuchen in unter­ schiedlichen Mischungsverhältnissen gemischt und der jeweilige spezifische Wasseranspruch ermittelt. Dies erfolgt dadurch, daß für das jeweilige Mischungsverhältnis in zeitlichen Abständen während des Scherprozesses, also während des Rührens, der Aschemenge solange Wasseranteile zugesetzt werden, bis gerade ein signifikanter Fließeffekt eintritt. Damit ist der Punkt erreicht, bei welchem sich eine Dispersion aus der Asche und dem Wasser eingestellt hat. Die auf diese Weise ermittelten A/W- Werte (Asche/Wasser-Werte) bewegen sich je nach Ascheart zwischen 1,2 und 2,2 : 1 bei Rostkessel- bzw. zwischen 2,4 und 3,8 : 1 bei Mühlenkesselfilteraschen. Letztere weisen folglich einen erheblich geringeren Wasseranspruch auf. Nachdem nunmehr der jeweilige Wasseranspruch über die entsprechenden Mischungs­ verhältnisse ermittelt worden ist, wird ein Mischungsverhältnis für den praktischen Betrieb der Herstellung des Bau- und/oder Dichtungsstoffes ausgesucht, dem eine optimale Dispersion zugeordnet ist. Dieses Mischungsverhältnis liegt außerhalb des Maximums oder eines relativen Maximums des Kurvenverlaufs des A/W-Wertes im Bereich eines relativen Minimums oder eines Bereiches mit relativ geringer A/W-Wert-Änderung. Insoweit wird der Vorteil ausgenutzt, daß trotz Anfall im Tagesverlauf von Dampfkesseln in ihren Eigenschaften schwankender Aschen infolge schwankenden Lastverhaltens des Dampfkessels dennoch ein Bau- und/oder Dichtungsstoff mit gleichbleibenden Eigenschaften entsteht. Das Verfahren ist somit in der Lage, die unterschied­ lichen Eigenschaften der Aschen auszugleichen. Es führt zu einem Bau und/oder Dichtungsstoff mit signifikanter mechanischer Festigkeit. Der Wasserfiltrationswert kann in einer Größenord­ nung von 10^-10 bis 10^-11 m/sec liegen. Da mit eine Dispersion - im Gegensatz zu einer Suspension - gearbeitet wird, entsteht kein stark belastetes Abwasser, und es entfallen insoweit sämtliche Probleme einer sonst erforderlichen Kläranlage. Auch Entmischun­ gen bei der Weiterverarbeitung werden vermieden. Durch das Arbeiten mit einer Suspension entsteht eine erhebliche Selbst­ verdichtung der Masse. Es tritt eine Volumenreduzierung um mindestens ein Drittel des Volumens der Asche und des Wassers ein.

Das neue Verfahren, welches auch großtechnisch durchführbar ist, läßt es zu, in dem Bau- und/oder Dichtungsstoff auch andere Stoffe unterzubringen, z. B. Bruchbeton. Die Leitfähigkeit von Filteraschen liegt in der Größenordnung von 900 bis 1200 mS/m. Die Leitfähigkeit des daraus hergestellten Bau- und/oder Dichtungsstoffes liegt vorteilhaft nur bei 50 bis 80 mS/m. Somit kann der Bau- und/oder Dichtungsstoff, wenn er zuvor für den Straßenbau eingesetzt worden war, nach einem notwendigen Abriß der Straße auf eine Bauschuttdeponie verbracht werden; es erübrigt sich die Ablagerung auf einer Sonderdeponie.

Es wurde weiterhin gefunden, daß überschußwasserfreie, an der Fließobergrenze liegende Dispersionen einen vollständigen Auf­ schluß der hydraulischen Phasen ermöglichen, da im hergestellten Zustand praktisch jedes Aschekorn mit einem unterschiedlich dicken, im Mikrometerbereich liegenden Wasserfilm vollständig umschlossen ist. Demzufolge sind sowohl der aschespezifische Wasseranspruch als auch die Vermeidung von Überschußwasser als Grundforderung für die Herstellung geeigneter Aschedispersionen anzusehen.

Im Zusammenhang mit dem grundsätzlichen Ausschluß von Überschuß­ wasser in der für den Bau- und/oder Dichtstoffeinsatz aufberei­ teten Dispersion aus mindestens zwei Filteraschen wird das Problem des selbst bei kontinuierlicher Siloentnahme ständig wechselnden Wasseranspruchs - begründet durch völlig zufällige Mischungen bzw. Entmischungen der Aschekörner bei Transport und Lagerung - dadurch gelöst, daß die Aschen der Filterstufen 1 und 2 eines zweistufigen Elektrofilters getrennt abgeführt und in verschiedenen Silos gelagert werden. Entsprechend wird verfah­ ren, wenn ein Dampferzeuger mit mechanischen Entstaubungsanlagen (Zyklon und Gewebeabscheider) ausgerüstet sind. Beim Vorhanden­ sein von mehrstufigen Elektrofiltern genügt eine Ascheteil­ trennung, z. B. die Absonderung der letzten Filterstufe, bei einem dreistufigen Elektrofilter.

Der optimale Zusammenbau der Naßdispersion aus den getrennt vorliegenden Filteraschekomponenten erfolgt also auf der Basis einer experimentell gefundenen Wasseranspruchsfunktion, die unabhängig von den zu kombinierenden Ausgangsstoffen qualitativ einen immer gleichen Verlauf zeigt. Bei entsprechend der Beschreibung ermitteltem Wasseranspruch zweier Aschekomponenten (FS1 und FS2 eines Elektrofilters; Aschen aus Zyklonabscheider und Gewebefilter, die einer dem Dampfkessel nachgeschalteten Entstaubungsanlagen entstammen) besitzt die eine Aschekomponente FS1 (Vorreinigungsasche) gegenüber der anderen Aschekomponente FS2 (Nachreinigungsasche) stets den geringeren Wasseranspruch, so daß sich aus der fortlaufenden Mischungsreihe (FS1/FS2 %= 90/10; 80/20 ... 10/90 eine theoretische Wasserbedarfskurve c entsprechend den Fig. 1 bis 4 bestimmen läßt. Somit können Aschen aus Dampferzeugern unterschiedlicher Bauart mit u. U. unterschiedlichen Entstaubungsanlagen über die Naßdispersion sinnvoll miteinander verknüpft werden und zu dem Bau- und Dichtungsstoff weiterverarbeitet werden. Die sich theoretisch ergebende Kurve c kann auch einen ansteigenden Verlauf aufweisen (Fig. 4).

Im Experiment wird ein von dem theoretischen Verlauf der Kurve c etwas abweichender Kurvenverlauf d (Fig. 1 bis 4) gefunden, der die praktische Wasseranspruchsfunktion der Dispersion aus mindestens zwei Filteraschen wiedergibt. Die Kurve d erreicht im Punkt 1 ein Maximum des A/W-Wertes, was einem Minimum des Wasseranspruches entspricht. Dies resultiert aus der Verdichtung des Hohlraumvolumens der "Grobkorndispersion" durch das Fein­ korn. Dabei überwiegt trotz steigender spezifischer Oberflächen der Dispersion der Anteil des aus dem Hohlraumvolumen verdräng­ ten Wassers, das bei Nichtbeachtung des funktionellen Verlaufs am Punkt 1 als Überschußwasser anfiele.

Bei weiterer Erhöhung des Feinkornanteils FS2 und abnehmendem Anteil der Aschekomponente FS1 um jeweils ca. 5% nimmt der Wasseranspruch der diesem Mischungsverhältnis entsprechenden Dispersion infolge Aufbrechens der adhäsiven Wasserverbindung zwischen den gröberen Körnern durch vermehrte Feinkornzuführung erheblich zu und erreicht um den Punkt 2 der Wasseranspruchs­ funktion ein Gebiet, in dem sich der Wasseranspruch bei weiterer Erhöhung des Anteils der Feinkornkomponenten nur unwesentlichh ändert. Genau dieses Gebiet wird erfindungsgemäß ausgenutzt. Eine weitere Betrachtung der Kurve d kann außer Betracht bleiben, da die mengenmäßige Verfügbarkeit der Aschekomponente FS2 in der Regel ohnehin begrenzt ist.

Ergebnisse der Prüfung eines so hergestellten Baustoffes belegen, daß das Arbeiten im Gebiet um den Punkt 2 der Wasser­ anspruchsfunktion zu einer optimierten Dispersion führt. Im Unterschied zur Betontechnologie stellt der Bereich des gering­ sten Wasseranspruchs infolge der sich anschließenden komplexen chemischen Prozesse der Hydratation (Aushärtung der primär aluminat- bzw. aluminat-ferratischer Phasen der Filterasche­ dispersion) die untere, stets zu überschreitende Grenze bezüg­ lich des Anteils der feinkörnigeren Aschekomponente FS2 dar. Die Ausübung des Verfahrens im Gebiet um den Punkt 2 sichert weiter­ hin, daß Überschußwasser praktisch ausgeschlossen wird. Erfolgt eine Gesamtkornbandänderung in Richtung auf einen "gröberen" Bereich, tritt tendentiell leicht kompensierbarer Wassermangel auf, während eine Zunahme des Feinkornanteils kaum Änderungen des Wasseranspruchs der Dispersion bewirkt. Mit Hilfe der Wasseranspruchsfunktion erfolgt somit einerseits die Festlegung des optimalen Körnungsbereichs der aufzubauenden Dispersion (und damit eine entsprechende Verteilung der hydraulisch aktiven Phasen über das gesamte Volumen). Die Vermeidung von Überschuß­ wasser ist eine entscheidende Voraussetzung für den chemischen Aufschluß dieser Phasen. Das Arbeiten in diesem Bereich ermög­ licht darüber hinaus eine fortlaufende Überwachung des technolo­ gischen Ascheverwertungsprozesses mit dem Ziel einer Qualitäts­ sicherung der herzustellenden Erzeugnisse.

Der beschriebene verfahrensspezifische Aufbau der Dispersion in einem stabilen überschußwasserfreien Bereich stellt ferner die Voraussetzung für eine Verwertung hydraulisch inaktiver Aschen insofern dar, als aufgrund des in der Dispersion herrschenden Wassermangels Komponenten unterschiedlicher Kornrohdichten ohne Entmischungs- oder Absetzerscheinungen einbezogen werden können.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, inerte Materialien, wie z. B. granulierte Gummi- oder Kunststoffabfälle oder Reststoffe mit Fasercharakter aus der Dämm- und Isolierstoffproduktion im Volumenverhältnis Gesamtasche/Reststoff 3 : 1 ... 1 : 1 in die Dispersion einzubeziehen, so daß Aschekörper mit spezifisch veränderten Eigenschaften herstellbar sind. Nehmen diese Stoffe Wasser auf, ist zuvor eine Meische herzustellen. Die sich ergebenden quantitativen Änderungen (Wasseranspruch, n-Kompo­ nenten-Dispersionsverhältnis) finden in der Wasseranspruchs­ funktion ihren Niederschlag.

Durch Einschluß schwer zu entsorgender Abprodukte, wie Gipse der Rauchgasentschwefelungsanlagen, Salzkohleaschen, Anhydrit-II- haltige Aschen als Ereignis einer Wirbelschichtverbrennung und Aschen aus Müllverbrennungsanlagen in einen dispersoptimierten Dichtstoff können komplexe Standortentsorgungslösungen erreicht werden.

Die komplexe Hydratation aluminat-ferratischer Phasen (bei voll­ ständigem Fehlen der Hauptphase C₃S des Zementes) gewährleistet eine Abbindegeschwindigkeit, die sekundäre Kalk- und Gipstreib­ prozesse ausschließt.

Die Herstellung der Dispersion erfolgt vorteilhaft ohne Binde­ mittelzusatz. Die Masse aus den mindestens zwei Filteraschen und/oder Filteraschekomponenten kann drucklos, also unter Schwerkrafteinwirkung gemischt werden. Die hergestellte Disper­ sion erreicht nach druckloser Lagerung und Trocknung ohne Bindemittelzusätze als Baustoff unabhängig von unverbrannten Bestandteilen stabile Druckfestigkeiten von 40 bis 80 MPa. Als abgelagerte Dichtstoffmas­ se im erdfeuchten Zustand bei Druckfestigkeiten zwischen 22 und 28 MPa Wasserfiltrationswerte von 10^-10 bis 10^-11 m/s.

Die Beispiele 1-3 erfassen mögliche Betriebsfälle eines Heizkraftwerkes und bestätigen, daß eine Ascheverwertung nach dem Dispersopt-Verfahren allen Varianten der Betriebs­ führung angepaßt werden kann.

Beispiel 1 Dampferzeuger mit Dampferzeugerleistung 40 t/h (Vollast) Elektrofilterasche FS 1/FS 2 (getrennt)

Nach Fig. 1 (Gesamtaschemenge jeweils 5000 g) ergibt sich:

Fig. 5 zeigt die normierten Siebkornlinien (Kornbereich 0 . . . 1 mm) der FS 1 (a) und 2 (b) sowie der Dispersion (FS 1/FS 2) % 85 /15 (a + b). Fig. 7 kennzeichnet die Sieb­ kornlinien des Fahrintervalls und unterstreicht, daß die Verdichtung der Dispersion immer in Nähe des Vorreinigungs­ anteils erfolgt und zusätzliche Mahlprozesse der "gröberen" Kornfraktionen zur Erhöhung der spezifischen Oberflächen überflüssig sind.

Aus der Darstellung der aktiven hydraulischen Phasen geht die Dominanz der Aluminat- bzw. Aluminat-Ferrat-Phasen her­ vor. FS 2 besitzt auf Grund der Häufigkeit höherwertiger Aluminatphasen C₃A/C₂A (24%) gegenüber FS 1 C₂A/CA(13%) die erheblich schnellere Abbindefähigkeit. Diese Tendenz wird auf die Hydratation der Dispersion 85/15 als Folge der Feinkörnung stärker übertragen, als eine schematische An­ gabe in Masse-% vermuten läßt.

Potentielle Phasen

Beispiel 2 Dampferzeuger wie vor, Dampferzeugerleistung: 30 t/h; Elektrofilter außer Betrieb

In Fig. 2 erkennt man keine grundsätzlich geänderten Ver­ hältnisse. Der abgeschaltete Elektrofilter wirkt infolge Druckabfall des Rauchgasstromes als mechanischer Abscheider. Eine Weiterführung des Ascherecyclings erfolgt mit im Silo gesammeltem Feinkorn.

Beispiel 3 Dampferzeuger wie vor, Dampferzeugerleistung: 20 t/h (Nächtliche Lasteinsenkung) FS 1 → gesonderter Silo; FS 2 (Anteil gering) → Silo FS 2

Fig. 6 demonstriert das gegenüber Fig. 5 (Vollast) ver­ feinerte, sich der FS2 nähernde Körnungsband der Vorreini­ gung und belegt in Zusammenhang mit Fig. 3 (Wasseranspruchs­ funktion des Lastfalls) die Notwendigkeit der Maßnahme im Schwachlastbetrieb (≦ 55% Vollast), FS1 in einem geson­ derten Silo zwischenzulagern, wenn eine Baustoffproduktion erfolgt. Die hydraulischen Phasen der Filterstufe 1 errei­ chen die Größenordnung der Nachreinigungsasche aus Bei­ spiel 1.

Potentielle Phasen

Beispiel 4 Dampferzeuger mit Rostfeuerung; Dampferzeugerleistung: 36 t/h; Zyklonentstaubung (Aschekomponente 1) Dampferzeuger mit Mühlenfeuerung; Dampferzeugerleistung: 64 t/h; Elektrofilter (ΣFS; Komponente 2)

Auf Grund der unterschiedlichen normierten Körnungsbänder (Fig. 8) erübrigt sich eine Aschetrennung der Komponente 2. Da nach Fig. 8 die Elektrofilterasche einen geringeren Wasseranspruch als die Zyklonasche aufweist, folgt eine an­ steigende Gesamttendenz der Kurve.

Potentielle Phasen

Beispielgemäß erweist sich eine Kombination der langsam hydratisierenden für die Baustoffeigenschaften wertvollen Aluminat-Ferratphasen mit den rasch bindenden Aluminat- Phasen in eine Dispersion 85/15 als positive Merkmalskombi­ nation, nach der einer Bau- bzw. Dichtstoffnutzung zuführ­ bare Produkte aus Entstaubungsaschen herstellbar sind.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung einer zu einem Bau- und/oder Dichtungsstoff hydratationsfähigen Masse unter Verwendung von Filterasche, indem die Filterasche unter Zugabe von Wasser verrührt und die Masse zu dem Bau- und/oder Dichtstoff weiter­ verarbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß für Mischungen aus mindestens zwei Filteraschen und/oder Filteraschekomponenten, die unterschiedliche Körnungsbänder aufweisen, der jeweilige Wasseranspruch für die Herstellung von dem jeweiligen Mischungsverhältnis entsprechenden Dispersionen ermittelt wird, und daß die Filteraschen und/oder Filteraschekomponenten in einem Mischungsverhältnis, das außerhalb des Maximums oder eines relativen Maximums des Kurvenverlaufs des A/W-Wertes im Bereich eines relativen Minimums des A/W-Wertes oder eines Bereiches mit relativ geringer A/W-Wert-Änderung liegt, gemischt und zu einer Dispersion verrührt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung der Dispersion ohne Bindemittelzusatz erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse unter Schwerkrafteinwirkung gesetzt wird.