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Verfahren zur Herstellung von Portlandzement Gegenstand der vorliegenden
Erfindung ist die Herstellung von Portlandzement, insbesondere eines Erzeugnisses,
dessen Hauptbestandteile Tricalciumsilicat 3 Ca 0 - Si 0z und Dicalciumsilicat 2
Ca 0 - Si OZ sind und das kleine Anteile von Tricalciumaluminat 3 Ca0 - A1203 oder
andere Aluminiumverbindungen enthalten kann.
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Den für die Herstellung dieses Zements erforderlichen Calciumanteil
kann man am einfachsten aus Kalkstein oder Calciumcarbonat (CaC03) oder aus anderen
Calciumverbindungen erhalten. Das Siliciumdioxyd erhält man am einfachsten aus Tönarten-
der Kaolingruppe oder aus anderen Mineralien, die einen größeren Gehalt an Aluminiumsilicaten
haben, d. h. Verbindungen mit einem Gehalt an Aluminiumoxyd (A1203) und Siliciumdioxyd
(Si02). Hierbei ist es wichtig, daß der Kieselsäurerohstoff nur sehr wenig Alkaliverbindungen,
wie Kalisalze, Natriumsalze usw.; enthält. Das im Verfahren verwendete Alkali wird
als Alkalisalz zugefügt, das nicht mit Tonerde verbunden ist, also nicht als Doppelsilicat
vorliegt, sondern vorzugsweise in der Form von Natriumcarbonat, obgleich auch andere
Alkalien verwendet werden können.
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Da es erwünscht ist, Aluminiumsilicat als Siliciumdioxydquelle zu
verwenden, und da der Zement einen niedrigen Aluminiumgehalt haben soll, ist es
ein weiteres Ziel der Erfindung, alles Aluminium oder ein Teil desselben als Aluminiumsalz
während des Verfahrens zu entfernen. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Rückgewinnung
des Aluminiums als Aluminiumhydroxyd, aus dem Aluminiumoxyd als wertvolles Nebenprodukt
des Verfahrens erzeugt werden kann.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung kann in einer Vorrichtung durchgeführt
werden, die ohne Schwierigkeifen
hergestellt, werden kann und in
der Zeichnung schematisch dargestellt ist.
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Zur Durchführung der notwendigen Reaktionen ist ein Katalysator erforderlich,
. wozu vorzugsweise ein Fluorid, wie Flußspat, verwendet wird. Bei einer typischen
Ausführungsform des Verfahrens werden Kalkstein, Aluminiumsilicat, Flußspat und
ein Alkali als Rohstoffe verwendet, die, soweit erforderlich", in einer Brechanlage
i auf eine für das Mischen und Mahlen handliche Größe gebrochen und zum Rohgutbunker
2 gebracht werden.
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Das aus dem Rohgutbunker 2 kommende Rohmaterial wird vorzugsweise
mit Wasser gemischt und in der ersten Mühle 3 naß gemahlen. In der Schlammmischvorrichtung
4 wird der Schlamm auf geeignete Konsistenz gebracht.
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Der Schlamm soll so zusammengesetzt sein, daß, er genügend Alkali
enthält, um jeden gewünschten Anteil von Aluminiumsilicat in Alkalialuminat umzuwandeln.
Die Kalksteinmenge im Schlamm muß genügend groß sein, daß bei der Bildung von Dicalciumsilicat
alles Siliciumdioxyd des Aluminiumsilicats verbraucht wird.
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Der Gehalt an Flußspat ist nicht besonders'wichtig, da dieser nur
als Katalysator oder als Flußmittel dient und aus dem Verfahren im wesentlichen
in seiner ursprünglichen Beschaffenheit zurückgewonnen wird. Gute Erfolge sind erzielt
worden, wenn der Gewichtsanteil des Flußspats der gesamten festen Körper im Schlamm
nur etwa 20/" beträgt.
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Da die physikalischen Eigenschaften des Zements durch geringe Unterschiede
in der chemischen Zusammensetzung nur wenig beeinfiußt werden, ist eine genaue Zusammensetzung
des Schlammes nicht unbedingt erforderlich. An Hand der oben gegebenen allgemeinen
Regeln kann jeder Zementchemiker ohne weiteres die Anteile von Calcium, Alkali und
Kieselsäure in der Mischung bestimmen und dementsprechend den Schlamm richtig zusammenstellen.
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Es ist ein wichtiges Merkmal der Erfindung, daß das verwendete Alkali
wasserlöslich ist und sofort in dem Schlamm in Lösung geht und sich gleichmäßig
unter inniger Mischung in ihm verteilt. Doppelsilicate, in denen das Alkali in gebundener
Form vorliegt, sind nicht wasserlöslich, so daß hier das Alkali aus seiner Verbindung
mit der Tonerde gelöst werden müßte. Durch die Verwendung von freiem Alkali wird
daher die Durchführung des Verfahrens sehr erleichtert.
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Der Schlamm wird in den ersten Ofen 5 gebracht, der am besten ein
innen geheizter Drehofen ist, wie er gewöhnlich zur Herstellung von Zement verwendet
wird. Die Kohlendioxyd enthaltenden Abgase gehen in einen Wäscher 6, in dem Staub
und andere Unreinigkeiten entfernt werden. Das Kohlendioxyd geht in einen Gasbehälter
7, aus dem es nach Bedarf entnommen wird, wie später noch erklärt werden wird.
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Die Temperaturen im ersten Ofen 5 werden so niedrig gehalten, daß
ein Schmelzen oder Sintern des Gemisches sowie eine Glasbildung verhindert wird:
Im ersten Ofen wird der Kalkstein calciniert, wobei das entstehende Kohlendioxyd
entweicht und das Alkali sich mit dem Aluminium verbindet unter Bildung eines Alkalialuminats,
wie z: B. Natriumaluminat, wobei Kohlendioxyd frei und Dicaiciumsilicat gebildet
wird, Die Temperatur im ersten Ofen 5 liegt bei etwa 85o° und kann sich mit der
Art des Rohmaterials ändern.
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Das im ersten Ofen 5 behandelte Gut kommt in den Vorratsbehälter B.
Es ist bezüglich der Größe seiner Teile den Zementklinkern ähnlich. Vom Behälter
8 wird es zur zweiten Mühle 9 gebracht, wo zweckmäßig Kalkstein vom Rohgutbunker
2 zugefügt wird. Der Zweck des Hinzufügens von Kalkstein an dieser Stelle ist die
Zufuhr von genügend Calcium, so daß sich Tricalciumsüica.t bilden kann. Die zuzufügende
Menge wird durch den Anteil von Tricalciumsilicat, der in der Mischung gewünscht
wird, bestimmt und vom Süicat-und Calciumgehalt des Guts im Vorratsbunker 8: In
der zweiten Mühle 9 wird das Gut auf eine Feinheit gemahlen, wie sie gewöhnlich
für eine Zementmischung verlangt wird. Das Mahlgut wird nun zur Auslaug- und Flotationsanlage
io gebracht. Zweck dieser Anlage ist das Auswaschen des wasserlöslichen Natriumaluminats
und das Ausschlämmen oder das anderweitige Entfernen des Flußspats, der dann in
den Rohgutbunker 2 zurückgebracht wird. Die aus der Auslaug- und Flotationsanlage
kommende Flüssigkeit besteht aus einer wäßrigen Lösung von Natriumaluminat, die
eine Suspension unlösbarer Verbindungen mit sich führt. Diese Suspension wird nun
zum ersten Filter ii gebracht, welches das Natriumaluminat als Filtrat durchläßt
und die festen Teile als Filterkuchen zurückhält. Der Filterkuchen kann durch in
der Zeichnung nicht gezeigte Mittel zur Entfernung des restlichen Natriumaluminats
ausgewaschen werden, doch ist dies gewöhnlich nicht erforderlich, da ein geringer
Aluminatgehalt im fertigen Zement nicht beanstandbar ist. Dieser Filterkuchen soll
die richtige Mischung für die Herstellung eines Zements darstellen, der einen sehr
niedrigen Aluminatgehalt hat; er wird im zweiten Ofen 12 gebrannt, der ein normaler
innengefeuerter Zementofen ist und der eine für solche Ofen normale Betriebstemperatur
von etwa 165o° hat. Die im Ofen 12 gebildeten Klinker kommen in den Klinkerbunker
13 und können in einer dritten Mühle 14 zu Zement gemahlen werden. Das Verfahren
kann so geregelt werden, daß dieser Zement nur einen niedrigen Gehalt an Calciumaluminat,
dagegen jeden gewünschten Gehalt an Tricalciumsilitat und Dicalciumsilicat hat,
was eines der Ziele dieser Erfindung ist.
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Das Brennen des Zements im zweiten Ofen wobei der Filterkuchen vom
ersten Filter verwendet wird, geht erheblich leichter vor sich als das Brennen von
Material, wie es gewöhnlich zur Zementherstellung verwendet wird, da der Alkaligehalt
der Mischung niedrig und das Gut vorher calciniert worden ist. Das dem zweiten Ofen
12 zugeführte Gut hat die richtige Zusammensetzung zur Herstellung der gewünschten
Zementart. Infolge der Durchführung des Verfahrens in drei Stufen, nämlich einer
Stufe mit niedriger Temperatur, in welcher das Alkali zur Bildung von Alkalialuminat
verbraucht wird, einer zweiten Stufe, in welcher das Alkalialuminat aus der fertigen
Mischung entfernt wird; und. einer dritten Stufe, nämlich dem bei hoher Temperatur
erfolgenden Brennei, wird die Herstellung von Zement erheblich erleichtert.
Falls
gewünscht, kann durch Verwendung einer kleineren Menge Alkali in der ursprünglichen
Mischung im ersten Ofen 5 etwas Aluminium nicht in Natriumaluminat umgewandelt werden,
so daß es im fertigen Zement als Calciumaluminat erscheint. Durch Verwendung der
passenden Menge Alkali in der Mischung, die durch den ersten Ofen 5 geht, kann der
Aluminatgehalt im fertigen Zement sehr genau geregelt werden, ein Resultat, das
bisher sehr schwierig zu erreichen war, wenn man Doppelsilicate von Alkali und Aluminium
als Rohgut verwandte, so daß jetzt den Vorschriften, nach denen der Gehalt an Aluminat
im Zement begrenzt ist, ohne Schwierigkeiten nachgekommen werden kann.
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Das aus dem ersten Filter ii kommende Filtrat ist eine Lösung von
Natriumaluminat und kann fast das ganze Natrium und Aluminium enthalten, das vorher
mit dem Alkali und dem Aluminiumsilicat in die Vorrichtung eingebracht worden ist.
Diese Lösung wird nun in einen mit Blasvorrichtung versehenen Kessel 15 gebracht,
in dem sie in innigen Kontakt mit Kohlendioxyd kommt, das vom Gasbehälter 7 durch
sie geblasen wird. Das Blasen wird so geregelt, daß das Natriumaluminat in Natriumcarbonat
und Aluminiumhydroxyd gespalten wird. Das Natriumcarbonat ist wasserlöslich und
bleibt in Lösung, während das Aluminiumhydroxyd nicht wasserlöslich ist und zum
Niederschlagen aus seiner wäßrigen Suspension neigt. Die Suspension wird nun vom
Windkessel 15 auf ein zweites Filter 16 gebracht, in dem das Aluminiumhydroxyd als
Filterkuchen abgeschieden wird. Dieser Filterkuchen kann durch in der Zeichnung
nicht gezeigte Mittel mit warmem Wasser gewaschen werden, um noch vorhandene Spuren
von Natriumcarbonat zu entfernen und um getrocknet und calciniert zu werden zur
Herstellung eines Aluminiumoxyds von guter handelsüblicher Reinheit, womit ein weiteres
Ziel der Erfindung erreicht worden ist. Dieses Aluminiumoxyd ist nicht nur ein wertvoller
Handelsartikel, sondern auch ein wichtiger Rohstoff.
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Das Natriumcarbonat, das als Filtrat vom zweiten Filter i6 kommt,
wird nun in die Alkalirückgewinnungsanlage 17 gebracht. Dieses Alkali kann entwässert
und als Nebenprodukt des Verfahrens gewonnen oder als trockenes Alkali zur Wiederverwendung
im Verfahren, in den Rohgutbunker gebracht werden. Vorzugsweise wird das Filtrat
vom zweiten Filter 16 mit oder ohne Verminderung seines Wassergehalts zur ersten
Mühle 3 gebracht oder kann auch dem Schlamm in der Schlammischvorrichtung 4 zugesetzt
werden.
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Die in der obigen Beschreibung angeführten Vorrichtungen i bis
17 und ihre Arbeitsweise sind jedem Fachmann auf diesem Gebiete wohlbekannt
; bei der Konstruktion solcher Anlagen ist es jedem Fachingenieur möglich, die einzelnen
Teile der Vorrichtungen Erfordernissen des Verfahrens entsprechend nachzubauen.
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Die verwendeten Rohstoffe können den vorhandenen Rohstoffquellen angepaßt
werden. So können z. B. statt des Natriumcarbonats als Alkaliausgangsstoff auch
Natrium- oder Kaliumsulfat oder andere Alkalisalze verwendet werden. Weiter können
statt Flußspat auch andere Stoffe als Katalysatoren verwendet werden, welche dieselbe
Wirkung haben. Beispielsweise können gewisse andere Fluorverbindungen, wie Natriumfluor:d,
verwendet werden; Flußspat ist jedoch besonders wirksam und kann im Verfahren im
Kreislauf verwendet werden, wobei nur ein kleiner Prozentsatz verbraucht wird, so
daß die Kosten nicht übermäßig hoch sind. Aus diesem Grunde können auch andere Fluorverbindungen,
die teurer sind. als Flußspat, verwendet werden, ohne daß das Verfahren dadurch
zu kostspielig wird.
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Statt der Filter oder in Verbindung mit diesen können auch andere
bekannte Fällvorrichtungen, Fällbottiche, Zentrifugen oder sogenannte Eindicker
verwendet werden, die alle zur Fällung der in der Flüssigkeit schwebenden festen
Stoffe verwendet werden können.