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Herstellung von Zementklinker
Was wird in einem Zementdrehofen hergestellt?
Klinker = besteht aus C3S, C2S, C3A und C4AF
Zement = hydraulischer Binder, der an der Luft und unter Wasser erhärtet. Klinker und Zuschlagstoffe (Gips, Puzzolan, Flugasche, granulierte Hochofenschlacke ...) werden gemeinsam zu Zement vermahlen.
Ausser Portlandzement (OPC, Grauzement) gibt es Weisszement, Aluminatzement, Sulfatzement, Sorelzement ....
Beton = Mischung aus Zuschlagstoffen, Zement und Wasser.
Kalkstein + Ton
Klinker
Gips
Zement
Hochofenschlacke
Rohstoffe
Endprodukt
Zwischenprodukte
Schema der Zementherstellung
Quarrying
Raw material
Clinker/cement
Flue gas
preparation dedusting
burning
Coal mill
Cement mill
Silos
dispatching
Lafarge, Le Teil 1899
Die Anfänge ....
... Der erste Zementdrehrohrofen: Ø 1.8-2.0 x 20-25m, 40 tato
Englisches Patent vom 2.Mai 1885: Improvements in Manufacturing Cements ..., von Frederick Ransome
Tudela Veguin, La Robla, Spanien
Vorcalcinierofen, Ø 4,2 x 60m, 3100 tato, Inbetriebnahme 2004
Kosten einer Neuanlage (1.5m t/a)(Alsop 2005, USDm)
Equipamiento 63Equipamiento de cantera 3Molienda de la materia prima y mezcla 13Horno, precalentador y enfriador 18Molienda de carbón y almacenamiento 5Almacenamiento de clinker 3Molienda de cemento 9Almacenamiento de cemento y embalaje 3Equipamiento electrico y de control 9
Ingenieria, construcción, gestion de montaje, transporte, entrega 19Obra civil, construcción 38Financiación 18Repuestos 4Imprevistos (5%) 7
150
Elektrischer Verbrauch eines Zementwerkes(Alsop 2005)
KWh/t %Extracción y premezcla 6 5Molienda de crudo 28 24Mezcla 7 6Cocción y enfriamiento 25 22Molienda de cemento 44 38Transporte, embalaje y carga 6 5Total 116
Energiebedarf eines Zementwerkes(Ritzmann 1994)
%Calor entrante 741
Combustible 732 99Calor sensible 9 1
Calor saliente 741Clinkerización 416 56Gas del precalentador 169 23Gas del enfriador 94 13Radiación, convección 51 7Resto 11 1
Kcal/kg clinker
Reaktionen während des Klinkerbrandes
Temperatur °C
(Taylor 1990)
Wärmetauscher Drehofen Kühler
Chemische Zusammensetzung des Klinkers, Il w
day SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO CaO MgO K2O SO3 L Ph LOI fCaO LSF SR AR C3S C2S C3A C4AF C3S C2S% <8% % % corr <3% % <1% % % <2,5% <10 corr
1 21,92 5,75 3,18 66,1 62,2 1,49 0,42 0,65 27 0,5 3,21 94,1 2,45 1,81 59,1 18,3 9,9 9,7 43 31 1,162 22,33 5,63 3,11 66,3 63 1,54 0,17 0,66 26,3 0,4 2,82 93,1 2,55 1,81 57,9 20,4 9,7 9,5 44 32 1,23 22,43 5,65 3,13 66,5 64,2 1,56 0,15 0,67 26,4 0,4 1,78 93 2,55 1,81 57,8 20,7 9,7 9,5 48 28 1,244 22,13 5,64 3,17 66,1 63,1 1,51 0,52 0,65 26,7 0,4 2,47 93,4 2,51 1,78 58,2 19,6 9,6 9,6 46 30 1,25 22,24 5,66 3,11 65,9 63,4 1,46 0,58 0,68 26,7 0,3 2,11 92,9 2,54 1,82 56,9 20,9 9,7 9,5 47 30 1,226 22,31 5,6 3,05 65,7 63,2 1,52 0,7 0,86 26,7 0,4 1,99 92,4 2,58 1,84 55,8 21,9 9,7 9,3 46 30 1,217 22,46 5,69 3,1 65,8 63,3 1,47 0,64 0,7 26,9 0,4 1,93 91,8 2,56 1,84 54,3 23,4 9,8 9,4 44 31 1,218 22,27 5,67 3,11 65,8 63,9 1,49 0,52 0,52 26,5 0,4 1,48 92,6 2,54 1,82 56,1 21,5 9,8 9,5 48 28 1,229 22,5 5,69 3,11 65,8 64,1 1,47 0,62 0,36 26,5 0,3 1,39 91,7 2,56 1,83 54,2 23,7 9,8 9,5 47 29 1,22
10 22,15 5,55 3,09 65,7 63,2 1,48 0,65 0,66 26,4 0,3 2,06 93,1 2,56 1,8 57,3 20,3 9,5 9,4 47 29 1,211 22,35 5,51 3,13 66 63 1,47 0,57 0,56 26,2 0,4 2,47 92,8 2,59 1,76 57,3 20,9 9,3 9,5 45 31 1,1612 22,6 5,46 3,18 66,1 65,5 1,5 0,49 0,67 26,2 0,4 92 2,62 1,72 55,8 22,7 9,1 9,7 54 23 1,1923 22,07 5,6 3,27 66,2 65,8 1,43 0,4 0,37 26,4 0,4 93,9 2,49 1,71 59,4 18,5 9,3 9,9 58 19 1,2224 21,99 5,63 3,25 65,9 62,6 1,41 0,66 0,6 26,9 0,6 2,52 93,7 2,48 1,73 58,7 18,8 9,4 9,9 45 29 1,1325 22,17 5,66 3,07 65,6 61 1,37 0,84 0,92 27 0,4 4,12 92,7 2,54 1,84 56 21,4 9,8 9,3 37 38 1,1426 21,67 5,57 3,15 65,7 65,1 1,41 0,73 0,67 26,6 0,5 94,9 2,49 1,77 60,9 16,2 9,4 9,6 59 16 1,1427 22,33 5,69 3,36 65,8 62,5 1,44 0,71 0,7 27,5 0,6 2,58 92,1 2,47 1,69 55 22,5 9,4 10,2 42 33 1,1828 22,4 5,63 3,18 66,1 63 1,43 0,55 0,5 26,5 0,5 2,41 92,6 2,54 1,77 56,5 21,7 9,5 9,7 44 32 1,1429 22,07 5,7 3,45 66,1 63,3 1,45 0,38 0,49 27,2 0,4 2,25 93,4 2,41 1,65 58 19,6 9,3 10,5 47 29 1,1430 21,44 5,34 3,17 66,1 62,3 1,47 0,72 0,79 26,1 0,6 3,03 96,7 2,52 1,68 65,8 11,9 8,8 9,6 50 24 1,1331 22,63 5,36 3,21 65,9 61,7 1,45 0,57 0,69 26 0,6 3,48 91,8 2,64 1,67 55,7 22,9 8,8 9,8 38 37 1,14n 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31 26 31 31 31 31 31 31 31 31 31 31
mean 22,15 5,58 3,16 65,9 63,3 1,46 0,59 0,68 26,59 0,5 2,32 93,3 2,53 1,76 57,9 19,9 9,4 9,62 47 28 1,17min 21,44 5,34 2,98 65,5 61 1,37 0,15 0,36 25,94 0,3 1,15 91,7 2,41 1,65 54,2 11,9 8,8 9,06 37 16 1,12max 22,63 5,75 3,45 66,5 65,8 1,56 0,84 1,01 27,48 2 4,12 96,7 2,64 1,84 65,8 23,7 9,9 10,5 58 38 1,24
C H E M I C A L A N A L Y S E S COMPOSITIONPARAMETERS
Chemische Zusammensetzung des Klinkers, II
day LOI SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 K2O Na2O LSF SR AR fCaO g/l L Ph 1400 °CApril 10 0,28 19,95 5,77 2,63 66,9 1,22 1,54 0,4 0,27 104 2,38 2,19 0,75 1072 24,7April 11 0,3 19,95 5,84 2,61 66,6 1,23 1,68 0,4 0,3 103 2,36 2,24 0,75 1078 24,9April 12 0,28 20,04 5,89 2,65 66,7 1,25 1,49 0,4 0,29 103 2,35 2,22 0,39 1108 25,2April 13 0,31 20,1 5,87 2,64 66,6 1,26 1,48 0,4 0,3 103 2,36 2,22 0,53 1080 25,1April 14 0,19 20,08 5,95 2,63 66,8 1,26 1,42 0,4 0,3 103 2,34 2,26 0,58 1096 25,3April 15 0,21 20,13 5,92 2,67 66,8 1,22 1,39 0,3 0,25 103 2,34 2,22 0,75 1074 25,1April 16 0,35 19,97 5,91 2,65 67 1,2 1,3 0,3 0,27 104 2,33 2,23 0,76 1076 25April 17 0,3 20,07 5,84 2,63 66,9 1,17 1,49 0,3 0,24 103 2,37 2,22 0,72 1056 24,7April 18 0,38 20,11 5,89 2,67 66,7 1,22 1,39 0,3 0,24 103 2,35 2,21 0,53 1094 25April 19 0,26 20,06 5,82 2,73 66,8 1,22 1,41 0,3 0,24 103 2,35 2,14 0,39 1129 25April 20 0,35 20,03 5,88 2,69 66,7 1,19 1,49 0,3 0,24 103 2,34 2,19 0,59 1103 25April 21 0,25 20,14 5,88 2,7 66,8 1,23 1,39 0,2 0,23 103 2,35 2,18 0,76 1075 25April 22 0,25 20,16 5,89 2,68 67 1,29 1,28 0,3 0,23 103 2,35 2,2 0,65 1114 25,1April 23 0,3 20,1 5,83 2,65 66,9 1,24 1,42 0,3 0,22 103 2,37 2,2 0,86 1055 24,7April 24 0,27 20,1 5,84 2,64 66,9 1,22 1,52 0,3 0,2 103 2,37 2,21 0,94 1045 24,7April 25 0,29 20,13 5,9 2,65 66,8 1,24 1,41 0,3 0,23 103 2,35 2,22 0,79 1058 25April 26 0,43 20,14 5,88 2,63 66,8 1,23 1,38 0,3 0,22 103 2,37 2,24 0,77 1054 24,8April 27 0,6 20,13 5,9 2,63 66,9 1,15 1,39 0,2 0,21 103 2,36 2,24 0,73 1059 24,8mean 0,31 20,08 5,87 2,65 66,8 1,22 1,44 0,3 0,25 103 2,36 2,21 0,68 1079 24,9
Charakteristika eines OPC-Klinkers
Kalkstandard (KSt): beschreibt, wieviel CaO von den Klinkerphasen gebunden werden kann
KSt = CaO/(2.8SiO2 + 1.2Al2O3 + 0.65Fe2O3)
Typischer Bereich: 0.92-0.98
Silikatmodul (SM): beschreibt die Menge der Silikatphasen und der Klinkerschmelze
SM = SiO2/(Al2O3 + Fe2O3)
Typischer Bereich : 2.2 – 2.8
Tonerdemodul (TM): beschreibt Verhältnis zwischen Aluiminat- und Ferritphasen
TM = Al2O3 / Fe2O3
Typischer Bereich 1.2 – 3.0
Charakteristika eines OPC-Klinkers
Freikalk: das ungebundene CaO, das analytisch bestimmt wird
Litergewicht (g/l): Raumgewicht des Klinkers (Korngröße >5 mm). Indikator für Brennbedingungen. Typischer Bereich 1250 – 1350 g/l
Schmelzphasenmenge in der zentralen Sinterzone (Lea & Parker 1935):
1338°C (Al2O3/Fe2O3 > 1.38): 6.10Fe2O3 + MgO* + K2O + Na2O
1338°C (Al2O3/Fe2O3 < 1.38): 8.20Al2O3 - 5.22Fe2O3 + MgO* + K2O + Na2O
1450°C: 3.00Al2O3 + 2.25Fe2O3 + MgO* + K2O + Na2O
Typischer Bereich bei 1450°C: 24 – 28%
MgO* max 2.0%
Freikalk (fCaO) und Litergewicht (kg/l)
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,51 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31
kg/lfCaO
Kiln
sto
p an
d bu
rner
repa
ir
Klinkerphasen
C3S 3CaO.SiO2, Tricalciumsilikat, Alita: Hauptkomponente. Muss rasch abgekühlt werden, ansonsten Zerfall in C2S + CaO. Erhöhte Anfangs- und Endfestigkeit, erhöhte Hydratationswärme.
C2S 2CaO.SiO2, Dicalciumsilikat, Belita: Nebenkomponente. Muss rasch abgekühlt werden, ansonsten Modifikationswechsel (γ, „dusting“). Niedrige Anfangsfestigkeit, erhöhte Endfestigkeit, niedrige Hydratationswärme.
C3A 3CaO.Al2O3, Tricalciumaluminat: Nebenkomponente. Erhöhte Anfangsfestigkeit, erhöhte Hydratationswärme, niedrige Endfestigkeit.
C4AF 4CaO.Al2O3.Fe2O3, Ferrit: Nebenkomponente. Hydraulisch nicht aktiv.
Phasensystem C-S-A-F-M
Komponenten Eutektikum °C
C3S + C2S 2050
C3S + C2S + C3A 1455
C3S + C2S + C3A + C4AF 1341
C3S + C2S + C3A + C4AF + MgO 1301
(Taylor 1990)
Klinkermikroskopie
© RHI Technology Centre Leoben, Austria
© RHI Technology Centre Leoben, Austria
3
2
1
Inhomogener Klinker mit Freikalk- und Belitnestern
Homogener, reaktiver Klinker
Alit (1), Belit (2), Freikalk (3), Präparationsharz (4). Anschliff, geätzt mit Essigsäuredampf
Klinkermikroskopie
© RHI Technology Centre Leoben, Austria
belite
aluminate
alite
ferrite
Alit 71.5 % CaO, 25.6 % SiO2, 1.0 % Al2O3, 0.7 % Fe2O3, 1.2 % MgO
Belit 63.6 % CaO, 33.3 % SiO2, 1.2 % Al2O3, 0.8 % Fe2O3, 0.4% MgO, 0.4 % K2O, 0.3 % SO3
Ferrit 50.1 % CaO, 5.2 % SiO2, 18.5 % Al2O3, 21.1 % Fe2O3, 3.5 % MgO, 1.3 % TiO2, 0.3% MnO
Aluminat 55.3 % CaO, 7.9 % SiO2, 22.8 % Al2O3, 4.6 % Fe2O3, 9.0 % MgO, 0.4 % K2O
Vertikalmühle mit Separator
Materialaufgabe 100-200 mm und 3-8% Feuchte
Kapazität <550 t/h
Montage einer Rohmehlmühle
Rohmehl, Korngrößenverteilung
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1101001000 µmequivalent particle diameter
Equivalenter Partikeldurchmesser
% p
ass
% D
urch
gang
Raw mill dust
Schema einer Zementdreofen-anlage
Zyklonabscheider, Blick nach oben
Drehrohr und Laufring
Plant A
Überwachung der Ofenmanteltemperaturen mittels Infrarotkameras
Erneuerung der feuerfesten Ausmauerung
Klinkerprobe zur Bestimmung von Freikalk und Litergewicht
Drehofenbrenner
Schwerölflamme
Feste Brennstoffe: Heizwert vs Flüchtige
05
101520253035404550
15 20 25 30 35
Qnet MJ/kg
vola
tiles
%
petcokeantracite
lignite
bituminous coals
Brennstoffe in der Zementindustrie
Heat Value kcal/kg S Cl P2O5Conventional Natural Gas 10770
Coal 5660-7250Petcoke 8130 <7 0,01Fuel Oil 9570 2,7 0,06
Alternative Tyres 7090 1,7 0,1Fluff 3522 0,8 1,2Dried Sewage Sludge 2367-3005 0,5-1,4 0,05-0,20 <10Bone and Animal Meal 4013-4537 0,4 0,6 <5Scrap Wood 3125Solvents 3882-5769 0,7 0,2Plastic 5048Used Oil 7933-9340 0,6 0,2Srap Paper and Cellulose 4087Scrap Textiles 5048Impregnated Sawdust 3160 0,3 0,2
Fuel
Alternativbrennstoffe: SRF (solid recovered fuel)
Aufbereiteter und zerkleinerter SRF: Heizwert 25 MJ/kg, Cl < 0.7%
Vorselektierter SRF
Getrockneter Klärschlamm
Vorsortierung von Altreifen
Aufgabe von Altreifen
System Beumer, installiert bei Salonit Anhovo, Slowenien
Schalen von Palma africana
Rostkühler
Sekundärluft
Tertiärluft
Kühlerabluft
Transport zum Klinkersilo
Staubabsetzkammer
System PYROSTEP (KHD Humboldt Wedag)
Heissteil des POLYTRACK®-Kühlers
Klinkereinlauf nach einem Jahr Betrieb
Zementverbrauch (in kg) und Bruttoeinkommen (in USD)
Aus J. KELLAM, Global Cement Magazine, February 2008