DE69403241T2

DE69403241T2 - Verfahren zur Herstellung eines Puzzolanmaterials aus Papierschlamm

Info

Publication number: DE69403241T2
Application number: DE69403241T
Authority: DE
Inventors: Soren Hundebol
Original assignee: FLSmidth and Co AS
Current assignee: FLSmidth and Co AS
Priority date: 1993-02-26
Filing date: 1994-02-04
Publication date: 1997-09-11
Anticipated expiration: 2014-02-05
Also published as: DK172050B1; DK21493D0; DE69403241D1; EP0613867B1; EP0613867A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Puzzolanmaterials aus Papierschlamm, der beispielsweise bei Herstellung von Recyclingpapier erhalten wird, in einer ein Trocknungs- und Zerkleinerungsgerät sowie ein Ofensystem aufweisenden Anlage.
In diesem Zusammenhang bedeutet Puzzolanmaterial ein Material aus Oxiden, wie etwa Al&sub2;O&sub3;,Fe&sub2;O&sub3;,SiO&sub2;, die, wenn sie Mörtel oder Beton zugegeben werden, unter Bildung von Mineralien, welche bei der Reaktion herkömmlicher Zementmineralien mit Wasser gebildeten Mineralien entsprechen, mit Ca(OH)&sub2; reagieren. Die beiden wichtigsten Zementmineralien (CaO)&sub3;SiO&sub2; und (CaO)&sub2;SiO&sub2; reagieren beide unter Bildung von Tobermorit- Gel und Ca(OH)&sub2; mit Wasser. Wenn ein Puzzolanmaterial einem Beton zugegeben wird, ist aufgrund dieser Faktoren eine recht erhebliche Verringerung des Zementverbrauchs möglich, wenn der Erhalt gleicher Festigkeitseigenschaften gewünscht wird.
Die Herstellung von Recyclingpapier auf Grundlage der Verwendung von Papierabfall als Hauptrohstoff erzeugt große Abfallmengen in Form von Papierschlamm. Dieser Papierschlamm besteht hauptsächlich aus Zellulosefasern, Drucktinte, Wasser und einem mineralischen Rest aus Papierfüllstoffen, und es wird angenommen, daß er biologisch abbaubar ist. Trotzdem ist das in der Vergangenheit benutzte Lagerungsverfahren, welches das einfache Unterpflügen des Papierschlamms umfaßte, eine Sache, der wachsende Aufmerksamkeit gewidmet wird. Daher schließt der Austritt von während der Herstellung von Recyclingpapier erzeugtem Papierschlamm die Nutzung der Gesamtmenge des zurückgeführten Papierabfalls aus, was unerwünscht ist, weil es unter Umweltgesichtspunkten bevorzugt ist, Papier aus zurückgeführtem Material anstelle von Holz bzw. Zellstoff herzustellen.
Es wurden einige Verfahren zur Verwendung von Papierschlamm bei der Herstellung von Zement derart vorgeschlagen, daß die Zellulosefasern und die Drucktinte in dem Ofensystem der Zementanlage verascht werden, während der mineralische Anteil genau so in den Zementklinker gemischt wird wie Kohleasche. In der japanischen Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer JP-A-561 00 222 ist beispielsweise ein Verfahren offenbart, nach dem der Papierschlamm zunächst mit einer mechanischen Einrichtung dehydriert, der erzeugte Schlamm anschließend getrocknet und gekömt und das Granulat schließlich als Brennstoff in einem Zementofen benutzt wird. In der am 29. November 1990 eingereichten dänischen Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer 28 29/90 wird ein Verfahren angegeben, mit dem der Papierschlamm in Zementrohstoffe in einer Suspension gemischt wird, welche anschließend zu einem nach den Naßverarbeitungsverfahren arbeitenden Drehofen überführt ist. Die in diesen beiden Patentanmeldungen angegebenen Lösungen weisen den Nachteil auf, daß der Papierschlamm, der 50% Wasser und 25% einer brennbaren Substanz aufweist, von der Papiermiihle zur Zementanlage transportiert werden muß, was im Hinblick auf die Kosten nachteilhaft ist. Darüber hinaus ist der Papierschlamm schwierig zu handhaben und oft übelriechend.
Möglicherweise wäre das von einem Fachmann ins Auge gefaßte naheliegendste Verfahren, mit dem ein Puzzolanmaterial aus Papierschlamm hergestellt werden kann, die Ausführung des Prozesses in einem langen Drehofen, wobei das Brennen an einem Ende bewirkt wird, während der nasse Papierschlamm am anderen Ende eingeleitet und einer Trocknung und Erwärmung im Gegenstrom zu den Ofengasen unterzogen wird. Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß sich aus dem Papierschlamm bereits in der Trocknungsstufe des Schlamms oder sehr früh während der Aufwärmphase übelriechende, gasförmige Verbindungen entwickeln können, was dazu führt, daß diese Gase zusammen mit den Abgasen ohne wirksame Zersetzung aus dem Drehofen abgegeben werden. Zusätzlich zu diesem Umweltproblem weist diese Lösung den Nachteil auf, daß zum Feuern ein Brennstoff, z.B. Gas oder Öl, benötigt wird.
Eine weitere denkbare Lösung wäre die Verwendung einer mit einem Rost versehenen, herkömmlichen Abfallveraschaungsanlage. In einer derartigen Anlage ist der Erhalt einer wirksamen Zersetzung der erzeugten Gase und die Verringerung der Benutzung eines Hilfsbrennstoffs möglich. Der Nachteil dieser Lösung besteht jedoch darin, daß es schwierig ist, eine wirksame Entfernung brennbaren Kohlenstoffs aus dem Puzzolanprodukt zu erhalten, entweder weil die Zurückhaltung des feinkörnigen Produktes auf dem Rost für eine hinreichende Zeitdauer äußerst schwierig ist, oder aufgrund der Neigung des Materials zur Bildung großer Klumpenformationen, in denen der Kohlenstoff eingeschlossen ist.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines Puzzolanmaterials aus Papierschlamm, mit dem die vorstehend angegebenen Nachteile vermieden werden.
Das wird erfindungsgemäß in einer ein Trocknungs- und Zerkleinerungsgerät und ein Ofensystem aufweisenden Anlage mit einem Verfahren erreicht, bei dem der Papierschlamm in einen Strom heißer Abgase von dem Ofensystem der Anlage eingeleitet und zusammen mit dem Gas zum Trocknungs- und Zerkleinerungsgerät weitergeleitet wird, aus dem getrocknetes und fein zerkleinertes Papiermaterial in den Abgasen schwebend zu einer Trenneinrichtung weitergeleitet wird, in der das Papiermaterial von den Abgasen getrennt wird, wobei das abgetrennte, trockene Papiermaterial in eine Brennkammer des Ofensystems eingeleitet wird, wo die organischen Stoffe des Materials unter Entwicklung von Wärme verascht werden, mit der der mineralische Rest einer wärmebehandlung geeigneter Dauer und bei einer kontrollierten Temperatur von bis zu zwischen 700 und 850ºC unterzogen wird und das wärmebehandelte, mineralische Material schließlich in einer Kühleinrichtung gekühlt wird.
Auf diese Weise wird erreicht, daß der primär kaolinische, anorganische Anteil des Papierschlamms in ein Material mit Puzzolaneigenschaften umgewandelt wird, das beispielsweise als Additiv zur Herstellung von Beton benutzt werden kann, welcher dadurch verbesserte Festigkeitseigenschaften und eine erhöhte Dichte erhält. Die Tatsache, daß gebrannter Ton, einschließlich wärmebehandeltes Kaolin, Puzzolaneigenschaften benutzt, wurde bereits früher erkannt und benutzt (vgl. z.B. Lea & Desch: The Chemistry of Cement and Concrete, Edward Arnold & Co., London, 1935, 5. 249). Weil die erfindungsgemäß zu verwendende Anlage in der Nähe der Papiermühle, von der der Papierschlamm erhalten wird, liegen kann, kann dadurch ferner die Notwendigkeit für einen potentiell langen und teuren Transport des Papierschlamms zu einer Zementanlage beseitigt werden. Das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Puzzolanmaterial besitzt ein Gewicht, welches lediglich etwa 25% desjenigen des Papierschlammes beträgt, und daher kann es in weniger teurer Weise direkt zu einer Betonfabrik oder an den Ort eines Gebäudes transportiert werden.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist darüber hinaus in sich selbst CO&sub2;-neutral, weil die während der Veraschung des organischen Materials des Papierschlamms gebildete CO&sub2;-Menge der Menge entspricht, die durch einen biologischen Abbau in Verbindung mit dem Unterpflügen des Materials gebildet würde. Es wird ferner erreicht, daß die aus der Verwendung von Beton resultierende CO&sub2;-Emission verringert wird, weil die Gesamtmenge des zu brennenden Zements pro Tonne fertiggestellten Betons verringert wird, wenn das Puzzolanmaterial als Additiv in dem Beton benutzt wird.
Schließlich wird erreicht, daß eine größere Menge Papierabfalls als bislang zur Herstellung neuen Papiers ohne irgendwelche damit einhergehenden Lagerprobleme benutzt werden kann.
Das in der Trenneinrichtung von den Abgasen abgetrennte Papiermaterial kann direkt in die Brennkammer des Ofensystems eingeleitet werden, aber zum Erhalt einer wirksamen und kontrollierten Verbrennung ist es bevorzugt, daß das Papiermaterial von der Trenneinrichtung zunächst zu einem Lagerbehälter weitergeleitet wird, aus dem es anschließend entnommen und in die Brennkammer des Ofensystems eingeleitet wird.
Bei einem Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Papiermaterial über einen Brennereinbau in einen Drehofen eingeleitet, zur Bildung einer Flamme darin, wodurch die organischen Stoffe des Materials unter Entwicklung von Wärme verascht werden und der mineralische Rest im Drehofen ausgefällt wird, während die während der Veraschung erzeugten Abgase an eine Stau-Trenneinrichtung weitergeleitet werden, in der der mineralische Staub abgetrennt und in den Drehofen zurückgeführt wird, und der zurückgeführte Staub wird zusammen mit dem im Drehofen verbleibenden mineralischen Material durch die Drehung des Ofens unter die Flamme geleitet und dadurch einer Wärmebehandlung unter kontrollierten Bedingungen unterzogen, wobei das wärmebehandelte, mineralische Material anschließend zur Kühleinrichtung weitergeleitet wird.
Bei einem zweiten Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Papiermaterial einem Kalzinierer zugeführt, über einen in der Nähe eines Bodeneinlasses des Kalzinierers angeordneten Brenner, durch den Verbrennungsluft zugeführt wird, wodurch die organischen Stoffe des Materials unter Entwicklung von Wärme verascht werden und der mineralische Rest einer Wärmebehandlung unterzogen wird, wonach das in dem Verbrennungsgas schwebende, wärmebehandelte, mineralische Material zu einer Trenneinrichtung weitergeleitet wird, in der es von dem Gas abgetrennt und der Kühleinrichtung zugeführt wird.
Das mineralische, wärmebehandelte Material kann mit anschließend als Verbrennungsluft im Ofensystem eingesetzter Kühlluft gekühlt werden.
Die zur Trocknung benutzten Abgase können übelriechend sein und verschiedenartige schädliche organische Elemente enthalten und daher können sie über ein Gebläse zum Ofensystem der Anlage zurückgeführt werden, in dem sie zusammen mit Frischluft zunächst durch die Kühleinrichtung geleitet werden, um das Material zu kühlen und dann durch die Brennkammer geleitet werden, wodurch die unerwünschten Substanzen im Abgas zersetzt werden.
Es gibt eine konstante Notwendigkeit, der Anlage Frischluft von externen Quellen zuzuführen, und weil die Anlage während eines normalen Betriebs Wärme erzeugt, wird ein Teilstrom der heißen Abgase vom Ofensystem in einem Ausmaß abgeleitet, welches der Einleitung frischer Luft entspricht, und an eine Anlage zur Abwärmenutzung weitergeleitet.
Das abgeleitete Abgas kann anschließend in einer Abscheidungseinrichtung gereinigt werden, aus der der Staub zum Ofensystem zurückgeführt wird, während die gereinigten Abgase über ein Gebläse an die Umgebung abgegeben werden.
Die Erfindung umfaßt ferner ein Gerät zum Ausführen des neuen Verfahrens, wobei das Gerät ein Ofensystem aufweist, und eine Einrichtung zum Einleiten von Papierschlamm in eine Leitung für heiße Abgase aus dem Ofensystem, wobei die Leitung zu einem Trocknungs- und Zerkleinerungsgerät und dann zu einer Trenneinrichtung führt, und ein Materialauslaß der Abscheidungseinrichtung zu einer Brennkammer des Ofensystems führt und ein Materialauslaß des Ofensystems mit einer Kühleinrichtung verbunden ist.
Nachstehend wird die Erfindung in weiteren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die beiliegende, diagrammartige Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine erste Anlage zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Fig. 2 eine zweite Anlage zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die in den Figuren 1 und 2 dargestellten Anlagen umfassen beide ein Trocknungs- und Zerkleinerungsgerit in Form einer Trockenpresse 1, die über eine Leitung 5 zum einen mit heißen Abgasen von einem Ofensystem 3 und zum anderen mit Papierschlamm, im wesentlichen dehydrierten Papierschlamm, aus einem Vorrat 7 versorgt wird. Das trockene und fein zerkleinerte Papiermaterial wird über eine Leitung 9 und mit Hilfe eines Gebläses 11 in den Abgasen schwebend zu einem Abscheidungszyklon 13 getragen, in dem das Papiermaterial von den Abgasen getrennt und in ein Vorratsgefäß 15 weitergeleitet wird. Das Papiermaterial wird, etwa mit Hilfe eines Schneckenförderers, aus dem Vorratsgefäß 15 abgeleitet und über einen Brenner 17 in das Ofensystem 3 gefeuert.
Zusätzlich zum Brenner 17 weist das Ofensystem 3 der in Fig. 1 dargestellten Anlage einen Drehofen 21, ein Staubzyklon 23 und eine Planetenkühleinrichtung 25 auf. Das Papiermaterial wird so über den Brenner 17 in den Drehofen 21 gefeuert, daß darin eine Flamme gebildet wird. Als Ergebnis davon werden die organischen Stoffe des Materials unter Wärmeentwicklung verascht und ein Teil des mineralischen Restes wird im Ofen abgeschieden. Die während der Veraschung erzeugten Abgase werden an das Staubzyklon 23 weitergeleitet, in dem die verbleibende Menge mineralischen Staubs abgeschieden und zum Drehofen 21 zurückgeführt wird. Im Drehofen 21 wird das mineralische Material mit Hilfe der Drehung des Ofens und seiner Neigung nach hinten unter die Flamme geleitet (d.h. in die der Richtung, in die sich die Flamme richtet, entgegengesetzte Richtung), so daß es einer Wärmebehandlung unter kontrollierten Bedingungen unterzogen wird, z.B. so, daß eine maximale Temperatur des Materials im Bereich von 700 bis 850ºC erhalten wird. Aus dem Drehofen wird das wärmebehandelte, mineralische Material zur Kühleinrichtung 25 weitergeleitet, in der es im Gegenstrom zu den Abgasen vom Abscheidungszyklon 13, welche der Kühleinrichtung 25 über eine Leitung 27 und das Gebläse 11 zugeführt werden, gekühlt wird. Das als Folge der Bewegungen im Drehofen häufig in Form kleinerer und größerer Kugeln agglomerierte Produkt muß anschließend vor seiner Endanwendung einer Art Feinzerkleinerung in einer Zerkleinerungsmühle (nicht dargestellt) unterzogen werden.
Das Ofensystem 3 der in Fig&sub5; 2 dargestellten Anlage weist zusätzlich zum Brenner 17 einen Kalzinierer 31, ein Staubzyklon 33 und eine Zyklon-Kühleinrichtung 35 auf. Das Papiermaterial wird in den Kalzinierer 31 gefeuert und zwar über den Brenner 17, der in der Nähe des Bodeneinlasses 32 des Kalzinierers angeordnet ist, und durch den heiße Verbrennungsluft von der Zyklon-Vorheizeinrichtung 35 eingeleitet wird. Als Ergebnis davon werden die organischen Stoffe des Materials unter Entwicklung von Wärme verascht, mit der der mineralische Rest einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Das wärmebehandelte, mineralische Material wird im Verbrennungsgas schwebend zum Staubzyklon 33 weitergeleitet, in dem es vom Gas getrennt und zur Kühleinrichtung 35 abgegeben wird, in der es im Gegenstrom zu den Abgasen vom Abscheidungszyklon 13 gekühlt wird, die der Kühleinrichtung 35 über eine Leitung 37 und ein Gebläse 11 zugeführt werden. Bei diesem Anlagentyp wird dem Produkt keine Agglomeration ermöglicht, was vorteilhaft ist, weil dadurch die Notwendigkeit für eine anschließende Zerkleinerung beseitigt wird. Die Verarbeitung des Produkts muß jedoch bei einer höheren Temperatur stattfinden, so daß der gesamte CaCO&sub3;-Anteil in dem Material zu CaO und CO&sub2; zersetzt wird. Das Vorliegen von freiem CaO im Produkt ist akzeptabel, wenn es bei einem Kontakt mit Wasser rasch zu Ca(OH)&sub2; reagiert. Weil über in der überwiegenden Mehrzahl der Fälle das Löschen von in einem Kalzinierer gebranntem Kalk rasch vonstatten geht, wie die Erfahrung zeigt, werden dadurch die Probleme im Hinblick auf eine Expansionsbeschädigung im Beton, die andernfalls auftreten, wenn der Zement freies CaO enthält, vermieden.
Wie aus beiden Figuren hervorgeht, werden die Abgase von der Trocknungs- und Zerkleinerungseinrichtung mit dem Gebläse 11 zurückgeführt und im wesentlichen mit Hilfe von über einen Frischlufteinlaß 10 zugeführter Frischluft dem Ofensystem 3 zugeführt. Im Ofensystem 3 werden die zurückgeführten Abgase auf eine Temperatur zwischen 800 und 1000ºC erwärmt, was zur Zersetzung giftiger und/oder schädlicher Substanzen führt.
Weil die Anlage, wie vorstehend erwähnt, während ihres normalen Betriebes Wärme erzeugt, kann ein Teilstrom 40 heißer Abgase vom Ofensystem 3 in einer der Zugabe von Frischluft entsprechenden Menge abgeleitet und zu einer Anlage 41 zur Abwärmenutzung weitergeleitet werden. Eine derartige Anlage 41 kann zu Erzeugung von Dampf oder zur Bezirkswarmwasserversorgung ausgelegt sein. Aus der Anlage 41 werden die nunmehr gekühlten Abgase an einen Filter 43 weitergeleitet, wie etwa ein Sackfilter oder eine elektrostatische Abscheidungseinrichtung, wonach sie über ein Gebläse 45 an die Umgebung abgegeben werden.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Puzzolanmaterials aus Papierschlamm in einer ein Trocknungs- und Zerkleinerungsgerät (1) und ein Ofensystem (3) aufweisenden Anlage, bei dem der Papierschlamm in einen Strom heißer Abgase von dem Ofensystem (3) der Anlage zugeführt und zusammen mit dem Gas zum Trocknungs- und Zerkleinerungsgerät (1) weitergeleitet wird, aus dem getrocknetes und fein zerkleinertes Papiermaterial in den Abgasen schwebend zu einer Trenneinrichtung (13) weitergeleitet wird, in der das Papiermaterial von den Abgasen getrennt wird, wobei das abgetrennte, trockene Papiermaterial in eine Brennkammer (21, 31) des Ofensystems (3) zugeführt wird, wo die organischen Stoffe des Materials unter Entwicklung von Wärme verascht werden, mit der der mineralische Rest einer Wärmebehandlung geeigneter Dauer und bei einer kontrollierten Temperatur von bis zu zwischen 700 und 850ºC unterzogen wird und das wärmebehandelte, mineralische Material schließlich in einer Kühleinrichtung (25, 35) gekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das trockene Papiermaterial von der Trenneinrichtung (13) an ein Vorratsgefäß (15) weitergeleitet wird, aus dem es abgegeben und der Brennkammer (21, 31) des Ofensystems (3) zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem das trockene Papiermaterial über einen Brennereinbau (17) in einem die Brennkammer des Ofensystems bildenden Drehofen (21) zugeführt wird, wo die organischen Stoffe des Materials zur Erzeugung einer Flamme verascht werden, der mineralische Rest im Drehofen (21) abgeschieden wird, die während der Veraschung erzeugten Abgase zu einer Staub-Trenneinrichtung (23) weitergeleitet werden, in der mineralischer Staub abgetrennt und zum Drehofen (21) zurückgeführt wird, und der zurückgeführte Staub zusammen mit dem im Drehofen verbliebenen mineralischen Material mit Hilfe der Drehung des Ofens unter die Flamme geleitet und dadurch einer Wärmebehandlung unter kontrollierten Bedingungen unterzogen wird, wobei das wärmebehandelte mineralische Material anschließend vom Drehofen (21) an die Kühleinrichtung (25) weitergeleitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das trockene Papiermaterial einem die Brennkammer des Ofensystems bildenden Kalzinierer (31) zugeführt wird, über einen Brenner, der in der Nähe eines Bodeneinlasses (32) des Kalzinierers angeordnet ist, durch den Verbrennungsluft zugeführt wird, wobei die organischen Stoffe des Materials in dem Kalzinierer verascht werden, und zwar unter Wärmeentwicklung, wodurch der mineralische Rest einer Wärmebehandlung unterzogen wird, und das in dem Verbrennungsgas schwebende, wärmebehandelte, mineralische Material zu einer Trenneinrichtung (33) weitergeleitet wird, in der es von dem Gas abgetrennt und der Kühleinrichtung (35) zugeführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das wärmebehandelte, mineralische Material mit Hilfe von Kühlluft gekühlt wird, die anschließend als Verbrennungsluft im Ofensystem (3) verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zum Trocknen verwendeten Abgase über ein Gebläse (11) zum Ofensystem (3) der Anlage zurückgeführt werden, in dem sie zusammen mit Frischluft zunächst durch die Kühleinrichtung (25, 35) geleitet werden, um das Material zu kühlen, und dann durch die Brennkammer (21, 31) geleitet werden, wodurch unerwünschte Substanzen in den Abgasen zersetzt werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Teilstrom (40) heißer Abgase in einer der Zuführung von Frischluft entsprechenden Menge vom Ofensystem (3) abgeleitet und einer Anlage (41) zur Abwärmenutzung zugeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die abgeleiteten Abgase anschließend in einer Abscheidungseinrichtung (43) gereinigt werden und der Staub aus der Abscheidungseinrichtung (43) zum Ofensystem (3) zurückgeführt wird, während die gereinigten Abgase über ein Gebläse (45) an die Umgebung abgegeben werden.