Kalzinierung mineralischer Rohstoffe

Kalzinieren in der Produktion

Die industrielle Kalzinierung (Calcination) wird im Allgemeinen mit der Entsäuerung von Kalkstein zur Herstellung von Klinker für die industrielle Zementherstellung in Verbindung gebracht. Jedoch ist dieser Prozess mit einer erheblichen Freisetzung von CO₂-Emissionen verbunden, die vorwiegend vom Rohstoff abstammen. Darüber hinaus lassen sich auch viele weitere Primär- und Sekundärrohstoffe durch einen thermischen Prozess kalzinieren und die CO₂-Emission dadurch verringern.

Wichtige Vertreter sind unter anderem die so genannten kalzinierten Tone, die bereits in vielen europäischen Ländern als Klinkerersatzstoff oder Betonzusatzstoff verwendet werden dürfen. Durch eine thermische Behandlung solcher tonhaltigen Primär- und/oder Sekundärrohstoffe kommt es zur Ausbildung individueller Oberflächenladungen bzw. einer Änderung der Kationenaustauschkapazität der Tonpartikel. Dies führt zur Entstehung spezifischer Eigenschaften der kalzinierten Produkte. Im Temperaturbereich zwischen 600 und 850 °C kommt es so zur Ausbildung von Metakaolin bzw. Metaton mit puzzolanischen Eigenschaften.

Grundlagen einer erfolgreichen Kalzinierung ihrer Produkte

Das IAB Weimar beschäftigt sich im Rahmen der Forschungs- und Entwicklungsarbeit seit über 25 Jahren mit der Kalzinierung und thermischen Aufbereitung von Primärrohstoffen. Darunter fallen Steine und Erde sowie Industriesteine wie Kalk, Mergel und Dolomit sowie Gips- bzw. Anhydritsteine, Tone und Lehme. Die Infrastruktur am Weimarer Institut ermöglichst es, die Kalzinierung sowohl im kleintechnischen als auch halbtechnischen Maßstab zu untersuchen. Hierfür steht ein industrieller Drehrohrofen mit nachgeschalteter thermischer Nachverbrennung, Gasmessanalytik und Rauchgasentschwefelungsanlage zur Verfügung.

Durch die zunehmenden Anforderungen an die Kreislaufwirtschaft der Bauindustrie steht insbesondere die Kalzinierung von Sekundärrohstoffen im Vordergrund. Gemeinsam mit verschiedenen Partnern aus der Industrie unterstützen wir unsere Kunden bei der Umsetzung ihrer Visionen.

Aufeinanderfolgen verschiedener Prozesse in der Produktion

Bei kleintechnischen Untersuchungen

Die kleintechnischen Untersuchungen beinhalten die Aufbereitung und Konfektionierung der Rohstoffe, die Ermittlung der optimalen Brennparameter sowie die Überprüfung der erzielten Produkteigenschaften. Mit einem am IAB entwickelten und patentierten Hydrotherm-Brennverfahren können unter Verwendung von Synthesegas oxidierende oder reduzierende Brennbedingungen simuliert und zur Kalzinierung von Rohstoffen angewendet werden. Die Beurteilung der Oberflächenaktivität kalzinierter Rohstoffe bzw. deren Reaktionspotential (Puzzolanität) erfolgt mittels Fixierung von Calcium-Hydroxid-Ionen in wässriger Lösung (Chapelle-Test in Anlehnung an NF P 18-513, Anhang A) sowie durch die Bestimmung der Oberflächenladung (Zeta-Potential). Die Produkteigenschaften für den Einsatz als Klinkerersatzstoff und in zementgebundenen Bauwerkstoffen können durch herkömmliche Mörtelversuche gemäß DIN EN 196-1 bestimmt werden. Bei Bedarf werden ebenfalls Untersuchungen an Betonen unter Verwendung verschiedener Mischverfahren durchgeführt.

Bei halbtechnischen Untersuchungen

Die Ergebnisse, die innerhalb von Laborversuchen gewonnen werden, müssen für eine industrielle Umsetzung noch skaliert werden. Dies kann in einem Drehrohrofen erfolgen. Über einen solchen verfügt das IAB. Sowohl der Einfluss einer oxidierenden (λ > 1) als auch einer reduzierenden (λ < 1) Brennatmosphäre auf die Produkteigenschaften kann mit dieser technischen Anlage untersucht werden. Die nachgeschaltete thermische Nachverbrennung und die Rauchgasentschwefelungsanlage gestatten es, eine vollständige Produktionskette im Technikums-Maßstab nachzubilden und wesentliche Kennwerte zu ermitteln. Messsonden erfassen die Emissionen der wichtigsten Prozessgase. Durch einen integrierten Großfilter werden luftverunreinigende Partikel und Schadstoffe sowie Chloride, Fluoride und Sulfate heraus filtriert. Dies erfolgt mittels Trockenadsorption gemäß Bundes-Immissionsschutzgesetzes (BImSchG). Der Drehrohrofen wird in Abhängigkeit von der Korngröße des Aufgabegutes, der Drehgeschwindigkeit und dem Neigungswinkel des Drehrohres mit Materialdurchsätzen im Bereich von 50 bis 150 kg/h gefahren. Die Aufgabekorngröße sollte Partikelgrößen von 2 mm nicht unterschreiten.

Motivation

Der Preis von CO2-Zertifikaten, um eine Tonne CO2 oder andere Treibhausgase innerhalb des Europäischen Emissionshandels (EU-ETS) zu emittieren, kennt nur einen Weg: nach oben. Produktionsprozesse werden aufgrund dieser anhaltenden Entwicklung bereits in kürzester Zeit auf nachhaltige Produktionstechnologien umgestellt, insbesondere jene im Energiesektor und bei der Stahlherstellung. Verschiedene Sekundärrohstoffe, die derzeit als Klinkerersatzrohstoffe bei der Zementherstellung oder als Betonzusatzstoffe bei der Produktion von Betonen eingesetzt werden, entfallen. Dies betrifft insbesondere Steinkohleflugaschen, Hüttensande und REA-Gipse. Diese Lücke kann durch die Kalzinierung tonhaltiger Primär- und Sekundärrohstoffe geschlossen werden.

Rohstoffbasis

Die am IAB durchgeführten wissenschaftlichen Arbeiten und Dienstleistungen zeigen bereits, dass das puzzolanische Reaktionspotential alumosilikatischer Anfallstoffe und Nebenprodukte durch moderate thermische Behandlung wesentlich erhöht werden kann. Für die Herstellung von Klinkerersatz- und Betonzusatzstoffen werden in Zukunft verstärkt Ziegeltone als Alternativen zu Kaolin und tonhaltigen RC-Kieswaschresten bzw. Diatomeenerde (Kieselgur) zum Einsatz kommen.

Kalzinierung / Calcination

Unter Kalzinierung (Calcination) wird in diesem Kontext die thermische Behandlung tonhaltiger Rohstoffe verstanden. Diese erfolgt im Temperaturbereich zwischen 400 °C und 1100 °C. Die Herstellung von Metakaolin bzw. Metaton findet im Temperaturbereich von 600 °C bis 850 °C statt. Unter industriellen Bedingungen erfolgt die Kalzinierung in einem modifizierten Drehrohrofen, Tunnelofen oder in einem Flash-Calcinator.