Bild Drehrohrofen IAB Weimar

Kalzinierung mineralischer Rohstoffe

Kalzinieren in der Produktion

Die industrielle Kalzinierung (Calcination) wird im Allgemeinen mit der Entsäuerung von Kalkstein in Verbindung gebracht, um Klinker für die industrielle Zementherstellung zu produzieren. 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. Mit dem Unterschied: die damit verbundenen CO2-Emission fallen wesentlich geringer aus.

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 tonhaltiger 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

Bild Drehrohrofen im Recycling-Technikum des IAB WeimarBild Drehrohrofen und Hydrothermofen am IAB WeimarBild Anlage für thermische Nachverbrennung und Rauchgasentschwefelung am IAB Weimar

 

 

 

 

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 Industrie- (Kalk-, Mergel-, Dolomitstein), 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 zu 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 sie bei der Umsetzung ihrer Visionen.

Aufeinanderfolgen verschiedener Prozesse in der Produktion

Bild Befüllung eines Muffelofens am IAB Weimar Bild Probengefäße für Chapelle-TestBild Kalzinierte Tone in Gefäßen

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 hinsichtlich der 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 kann durch herkömmliche Mörtelversuche gemäß DIN EN 196-1 bestimmt werden. Bei Bedarf werden ebenfalls Untersuchungen an Betonen unter Verwendung verschiedener Mischverfahren durchgeführt.
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.

Unsere Partner

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Dossier zur Kalzinierung

Der Preis von CO2-Zertifikaten, um eine Tonne CO2 oder anderer 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.
Die am IAB durchgeführten wissenschaftliche 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.
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.

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