NO154086B - Fremgangsmaate for fremstilling av klinker paa basis av kalsiumsilikater og/eller -aluminater. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for fremstilling av klinker som inneholder lite urenheter med en større andel enn 50% av trikalsium-, dikalsium-, monokalsiumsilikat, monokalsiuma-luminat eller slagg.

I de vanlige fremgangsmåter for fremstilling av klinker

av Portland eller aluminiumsement, eller produkter som inneholder en stor andel dikalsium- eller monokalsiumsilikater, oppvarmer man massen som inneholder kalsiumkarbonat i en første fase til en temperatur i størrelsesorden 900°C,

for å dekarbonisere denne. Når det dreier seg om fremstilling av Portland-sement føres den dekarboniserte masse i en annen fase til en temperatur i størrelsesorden 1500°C i en vanligvis roterende ovn, hvor den omdannes til klinker,

og hvor en del, og bare en del, av produktet smelter.

Når det dreier seg om produkter av typen aluminium- eller monokalsiumsilikat-sementer, vil hele produktet bli sintret, men kan også bli smeltet. Dette er tilfelle med smeltet sement eller monokalsiumsilikatsement (FR-PS 1.584.873).

Når det dreier seg om klassisk fremstilling av Portland-sement, er det kjent at når man benytter utgangsmaterialer som inneholder urenheter, såsom alkali, natrium eller kalsium, klor, fosfor, svovel, vil disse urenheter for en stor del befinne seg i de^ sintrede produkt, hvor de nedsetter kvali-teten. Disse urenheter gjøres delvis flyktige i de oppvarmede deler av ovnen, men, i de normale, kjente fremgangsmåter, dekarboniseres massen ved å sirkuleres i motstrøm med vanlige gasser, som kommer fra ovnen for sintring, klinkerdannelse eller smelting, og som inneholder disse flyktige bestanddeler. Disse kondenserer for en stor del i den kalde massen, og sirkuleres. Det skapes på denne måten en lukket krets hvor urenhetene bare slipper unna i det behandlede produkt,

og som videre kan medføre forskjellige ulemper, så som tilstopning av gasskanalene eller selve ovnen.

Man kan redusere virkningene av disse resirkuleringer ved

å innføre gassrensing, men dette medfører en økning av

energiforbruket og har bare en begrenset virkning på innholdet av urenheter i sluttproduktet.

Laboratorieprøver, konf. P.F. Glassers artikkel i "Ceraent and Concrete Research", 1975, bind 5, side 55-61, har vist at en behandling i en plasmaovn av Portland-sementraasse gjør det mulig å redusere til mindre enn 0,05% innholdet av kalium, riktignok til en pris av en sterk økning av energiforbruket og uten nettoforbedring av de tekniske egenskaper i den tilveiebrakte sement. Man har til og med i de fleste tilfeller en reduksjon av disse egenskaper på grunn av nærvær av glassfase i variabel, men alltid vesentlig, mengde.

Forskjellige forbedringsteknologier er imidlertid foreslått for plasmaovnene. Det er spesielt tillatt å håpe på at man kan få et energiforbruk som ligger under forbruket for vanlige ovner.

Blant de løsninger som er fremmet for å redusere energiforbruket i tillegg til de som vedrører selve strukturen av plasmaovnen, er å benytte et utgangsmateriale som inneholder karbon; dette omdannes til CO i ovnen, og CO-produktet føres til installasjon hvor det brennes for å frembringe elektrisitet som vedlikeholder plasmaet.. En slik løsning er genial, men det totale energetiske utbyttet er lite.

Man kan enklere føre gassproduktene til et kammer i en vannveksler, det annet kammer av denne tjener til å oppvarme råmaterialene på forhånd. En slik løsning krever store investeringer uten å være perfekt fra et utbyttesynspunkt. Den er således dårligere enn direkte oppvarming av råmaterialet ved kontakt med utløpsgassene, men ved direkte oppvarming vil man falle tilbake til problemet med recyklering av urenheter, som er nevnt ovenfor.

Foreliggende oppfinnelse har til formål å redusere ulempene som er nevnt ovenfor, og tilveiebringe sementklinker som

har et redusert innhold av de fleste flyktige urenheter,

og dette resultat oppnås med et mindre betydelig energiforbruk og sammenlignbart eller mindre enn det som er nødvendig ved klassiske fremgangsmåter for fremstilling av klinker på grunn av et lite volum plasmagass sammenlignet med brennstoffer som er nødvendig for en forbrenning av et organisk, brennbart stoff.

I henhold til dette angår foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for fremstilling av klinker som inneholder lite urenheter og en større andel enn 50% av følgende produkter: trikalsiumsilikat, dikalsiumsilikat, monokalsiumsilikat, monokalsiumaluminat, eller slagg, hvor man i en første fase varmer opp et fast utgangsmateriale som inneholder kalsiumkarbonat til en så høy temperatur at man får dekarbonisering av kalsiumkarbonatet, idet denne oppvarming i hvert fall delvis tilveiebringes ved hjelp av varme gasser, som f.eks. skriver seg fra en forbrenning, og som sirkulerer i motstrøm med utgangsmaterialene som skal varmes opp,

og i direkte kontakt med disse, i en annen fase bringer utgangsmaterialet som er oppvarmet på denne måten, til en enda høyere temperatur i nærvær av en redusert gassmengde, og i en tredje fase avkjøler det oppvarmede materialet,

slik at de varme gasser som frembringes i den tredje fase, føres til produktet som skal oppvarmes i den første fase, uten å passere i rommet eller stedet for den annen fase,

og denne fremgangsmåte karakteriseres ved at utgangsmaterialet i den annen fase oppvarmes til en temperatur over 1500°C,

noe som medfører smelting av mer enn 80% av materialet idet mesteparten av forurensningene derved føres bort med avgassene som på i og for seg kjent måte ikke bringes i kontakt med utgangsmaterialet i første fase.

Fortrinnsvis føres de varme gassene som er frembrakt i

den tredje fasen til produktet for å oppvarme dette i den første fasen, uten å passere i rommet eller i nærheten av den annen fase.

I en foretrukket utførelse benytter man i den annen fase

en plasmaovn, og de gassene som kommer ut av den annen fase, benyttes i hvert fall delvis som plasmadannende gass i plasmaovnen.

Man skal imidlertid bemerke at plasmaovnen kan erstattes

av en ovn av en annen type under forutsetning av at den har den nødvendige effekt for å føre produktet til så høy temperatur som er nødvendig, og med et så redusert gassutløp som mulig. Man kan f.eks. benytte ovner med oksygenflammer, bueovner osv. Man skal her nevne spesielt stråleovner såsom solovner. Dette utelukker til gjengjeld spesielt magnetohydrodynamiske generatorer som er foreslått i DE-PS 2.230.590, som benytter en lett ionisert gass, benevnt "plasmagass"; men som ikke tillater at man får smeltning av produktet.

Det har vist seg interessant å benytte en plasmaovn hvor elektrodene er fremstilt av grafitt, med et belegg som beskytter dem mot oksydasjon, f.eks. et belegg av silisiumkarbid eller kobber. På denne måte er det mulig å arbeide i en oksyderende atmosfære uten at man får forbruk av elektrodene på grunn av oksydasjon, eller i hvert fall et forbruk som holdes innenfor akseptable grenser. Man kan på denne måten oppnå økonomiske fordeler ved å erstatte argon som plasmadannende gass med vanlige gasser, såsom luft, avgasser eller C02.

I industriell praksis, er det av interesse i den annen

fase å benytte en roterende ovn, hvor aksen er skråstilt med mer enn 60° i forhold til horisontalplanet. I virkelig-heten vil en vertikal ovn, såsom plasmaovnen, som er benyttet i eksperimentene beskrevet av F.P. Glasser i den artikkel som er nevnt ovenfor, bare tillate at man får meget korte gjennomløpningstider. Disse tider er tilstrekkelige for små mengder pulverformet materiale som er meget finfordelt, men ikke for en stor installasjon.

Egenskapene ved en roterende ovn, og spesielt skråstillingen

i forhold til horisontalplanet, velges som en funksjon av de nøvendige oppholdstider, og viskositeten for det flytende produkt, noe som samtidig avhenger av produktets art og behandlingsbetingelsene. For Portland-sement fore-trekkes vanligvis skråstillinger på 30-40°, mens man for aluminium-sement benytter verdier på mellom 50 og 60°.

Oppfinnelsen beskrives i større detalj ved hjelp av de praktiske, ikke begrensende eksempler, og de vedlagte figurer.

Fig. 1 er en skjematisk skisse av en enkel installasjon

med en plasmaovn som virker ifølge oppfinnelsen.

Fig. 2 er en skisse av en tilsvarende installasjon som

den i fig. 1, men som videre er utstyrt med resirkulering av den plasmadannende gass.

Fig. 3 er en skisse av en tilsvarende installasjon som

i fig. 1, men som videre omfatter anvendelse av den plasmadannende gass for forvarming av råmaterialet.

Fig. 4 er en skisse av en tilsvarende installasjon som

den i fig. 1, men med direkte mating av plasmaovnen med masse dekarbonisert ved hjelp av avgasser fra en brenselsovn. Fig. 5 er en ski"e som viser en modifikasjon av en eksister-ende installasjon, en lang ovn ved tilpasning av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Fig. 6 er en skisse tilsvarende den i fig. 5, men med en

installasjon med vertikal varmeveksler.

Fig. 7 er en skisse tilsvarende den i fig. 5 og 6, men

for en installasjon med vertikal varmeveksler og for kalsinatorer.

Hovedelementet i innretningen som er beskrevet ovenfor

som eksempel, er en ovn for oppvarmi.ng til høy temperatur,

og typisk en roterende smelteovn hvor rotasjonsaksen er skråttstilt mellom 3 og 60° i forhold til horisontalplanet, og oppvarmet ved hjelp av plasma (benevnt 1 i figurene)

som fortrinnsvis kan være av typen ANVAR-FOEX ved oppvarming med trukket plasma eller ved hjelp av trefaseplasma.

Denne ovnen kan mates med dekarbonisert masse eller et produkt som allerede er sintret. Dens rolle er å frembringe en total smelting ved en temperatur på mer enn 1800°, og helt opp til 1950°C, alt etter hvilket produkt som behandles, i den dekarboniserte masse eller i klinkeren som er forbehandlet i et annet apparat. Den gjør det mulig å tilveiebringe et elektrisitetsforbruk som er 5 til 10 ganger mindre enn det man har ved fremgangsmåter for plasmasmelting som allerede er beskrevet, et produkt som er totalt smeltet, og som har et redusert innhold av størstedelen av urenhetene.

Fig. 1 viser skjematisk fremstilling av en basisinstallasjon som i rekkefølgen for fremføring av produkter omfatter en forvarmer-dekarbonisator for masse 2, en roterende ovn 3, smelteovn 1, og en kjøler for klinker 4. Gassen vil i mot-setning til klassiske installasjoner, ikke gå i motstrøm med produktene i hele installasjonen, men går fra kjøleren 4,

til en roterende ovn 3, og til forvarmeren-dekarbonisatoren 2, og unngår smelteovnen 1. Ved utløpet av kjøleren vil oppvarmet luft i kontakt med klinkeren, delvis gå til den roterende ovn hvor den forsyner brenneren med brennstoff,

og delvis til brenneren 5 for oppvarming av forvarmeren-dekarbonisatoren 2. Som angitt i fig. 1, vil den plasmadannende gassen som kommer ut av smelteovnen 1, og som representerer et volum på minst 0,150 Nm<3>/kWh, dette tallet kan gå ned mot 0,08 Nm<3>/kWh, føres bort samtidig som den fører med seg faktisk talt alle de flyktiggjorte urenheter, men medfører meget mindre energi enn i tilfeller med rensing av forbrenningsgass og spesielt ved tradisjonelle fremgangsmåter for fremstilling av klinker av Portland-sement (opp-til 6 ganger mindre).

I fig. 2 har man vist en variant hvor den plasmadannende gassen resirkuleres i ovn 1 etter gjennomføring i en kondensator 6, hvor urenhetene skilles ut.

I fig. 3 har man vist en annen variant av fremgangsmåten, hvor plasmagassen etter gjennomføring gjennom kondensatoren 6, fører sitt gjenværende varmeinnhold til forvarmer-dekarbonisator 2 via brenneren 5, og føres deretter bort.

Det er åpenbart at valget mellom de to varianter avhenger

av forholdet mellom prisen på elektrisk energi som benyttes i ovnen 1 og brennstoffet som benyttes i brenneren 5.

Fig. 4 tilsvarer direkte mating til ovnen 1 av dekarbonisert masse. I dette tilfellet vil all gassen som kommer ut av kjøleren 4 føres til brenneren 5. Denne løsningen gjør det mulig å unngå roterende ovn.

Innretningen i fig. 4 kan kombineres med den som er vist

i fig. 2, som omfatter en resirkulering av plasmadannende gass (som kommer fra ovn 1) gjennom en kondensator 6, og med den som er vist i fig. 3, slik at de plasmadannende gasser som kommer ut av ovn 1, altså føres gjennom kondensatoren 6, til forvarmer-dekarbonisatoren 2. Valget mellom de forskjellige løsninger som illustreres i figurene, er en funksjon av en rekke faktorer, og blant disse er, som nevnt ovenfor, forholdet mellom brenselsprisen og elektri-sitetsprisen .

Fortrinn ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, skyldes

det forhold at siden det ikke er nødvendig med en gass-passasje mellom kjøleren for klinker og ovnen med høy temperatur, enten dette er en plasmaovn eller ikke, er det lettere å få meget raske avkjølinger. Et annet særtrekk ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, er å gjøre det mulig å benytte kilder som man kan oppnå meget høye temperaturer med, som er vesentlig høyere enn smeltepunktet for produktet, uten at energiforbruket økes på en prohibitiv måte.

Dette fører til muligheter for å påvirke sluttproduktene

av klinker ved å modifisere avkjølingsmåten: hvis produktet

foreligger i flytende tilstand kan man velge mellom en

langsom avkjøling ved overstrømning i støpeformer, eller en rask avkjøling ved bråkjøling i luft eller vann. Man vet at rask eller meget rask avkjøling øker innholdet av fri kalk, og reduserer innholdet av aluminiumferritter for produkter som inneholder kalk, aluminiumforbindelser og jernoksyder.

Man kan på denne måte påvirke bindingshastigheten eller motstanden på lengre sikt.

Men gjengir her som eksempel styrken i Portland-sement

i MPa, i sementprøver fremstilt av ren sement, og med et vann/sementforhold (E/C) på 0,5;

A representerer en prøve av kjent type.

B en sement frembrakt fra samme klinker, smeltet i en

plasmaovn, og bråkjølt i vann.

C samme sement som B,men bråkjølt i luft.

D samme sement som B og C, men langsomt avkjølt.

E en sement tilveiebrakt fra den samme masse som de forangående og denne massen er direkte oppvarmet i en plasmaovn og deretter bråkjølt i vann.

Fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen gjør det mulig sterkt

å redusere innholdet av flyktige urenheter i den tilveiebrakte klinker.

Man gir nedenfor som eksempler analyser tilveiebrakt ved

- behandling av et industrielt råmateriale (masse):

- behandling av industriell klinker:

I figurene 5 til 7, har man vist omgjøring av tre typer installasjoner som finnes for tilpasning til fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Fig. 5 viser en installasjon av typen "lang ovn", hvor massen innføres direkte i den roterende ovn 3. Omdanningen består i å fjerne utløpsenden 8, dvs. den varmeste delen av ovnen 3, og isteden å plassere en plasmaovn 1, fulgt, om man ønsker dette, av en granulator 9, som er bevart. De varme gassene som kommer ut av kjøleren føres' direkte til den roterende ovnen, ifølge skjema i fig. 1 til 4.

Fig. 6 viser en installasjon med en vertikal forvarmer-dekarbonisator, og en roterende ovn. Omdanningen omfatter her hovedsakelig å fjerne den varmeste delen av ovnen 3, og erstatte denne med en plasmaovn 1, og eventuelt en granulator for det smeltede produkt 9.

Fig. 7 viser en installasjon med en forvarmer-dekarbonisator som er vertikal, hvor den nedre delen utgjør en prekalsinator, og en roterende ovn med meget liten lengde. I dette tilfellet består omdanningen av en fullstendig fjerning av den roterende ovn 3; plasmaovnen og en eventuell granulator 9 vil på grunn av sine små dimensjoner kunne plasseres under forkalsinatoren, og kjøleren 4, kan plasseres ved 4a i samme vertikalen, noe som gjør et spesielt kompakt system.

De samme installasjoner gjør det mulig å fremstille produkter fra dikalsiumsilikat, monokalsiumsilikat og monokalsiumaluminat. For de to sistnevnte produkter medfører visse fremgangsmåter en smelting, og produktet føres over i støpe-former eller granuleres. Den nye fremgangsmåten gjør det mulig å få nye temperaturer raskt, noe som reduserer viskositeten i produktet og således letter tømmingen av produktet samtidig som man sterkt reduserer tapene på grunn av veggene og avgassene i forhold til klassiske fremgangsmåter, hvor tapene økes på grunn av det forhold at de temperaturer som kreves ligger på grensen av det man kan få med å forbrenne fossile brennstoffer i luft. Oppfinnelsen gjør det altså mulig med en reduksjon av det energiforbruk som er knyttet til fremstilling av slike produkter. Denne reduksjonen er ikke åpenbar siden den faller sammen med en økning av de maksimale temperaturer. Det kan nå 2400 KJ/kg, eller 33% når det dreier seg om aluminiumsementer, og 14000 KJ/kg eller 85% når det dreier seg om fremstilling ved smelting av monokalsiumsilikat.

Prøvefremstilling av sement som beskrevet ovenfor utføres ved å benytte argon som plasmadannende gass. Andre prøver er utført med tilsvarende resultater når man benytter luft eller til og med avgasser, og elektrodene i plasmaovnen er da grafitt, belagt med silisiumkarbid og kobber. CO2

er likeledes benyttet med hell ved prøver med smelting av ildfaste oksyder.

Claims (11)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av klinker som inneholder

   lite urenheter og en større andel enn 50% av følgende produkter: trikalsiumsilikat, dikalsiumsilikat, monokalsiumsilikat, monokalsiumaluminat, eller slagg, hvor man i en første fase varmer opp et fast utgangsmateriale som inneholder kalsiumkarbonat til en så høy temperatur at man får dekarbonisering av kalsiumkarbonatet, idet denne oppvarming ihverfall delvis tilveiebringes ved hjelp av varme gasser, som f. eks. skriver seg fra en forbrenning, og som sirkulerer i motstrøm med utgangsmaterialene som skal varmes opp, og i direkte kontakt med disse, i en annen fase bringer utgangsmaterialet som er oppvarmet på denne måten, til en enda høyere temperatur i nærvær av en redusert gassmengde, og i en tredje fase avkjøler det oppvarmede materiale, slik at de varme gasser som frembringes i den tredje fase, føres til produktet som skal oppvarmes i den første fase, uten å passere i rommet eller stedet for den annen fase, karakterisert ved at utgangsmaterialet i den annen fase oppvarmes til en temperatur over 1500°C, noe som medfører smelting av mer enn 80% av materialet idet mesteparten av forurensningene derved føres bort med avgassene som på i og for seg kjent måte ikke bringes i kontakt med utgangsmaterialet i første fase.
2. 2. Fremgangsmåte ifølge krav 1 , karakterisert ved at temperaturen som nås av utgangsmaterialet i den annen fase er over 1800°C.
3. 3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at temperaturen som nås av utgangsmaterialet i den annen fase, er over 1950°C.
4. 4. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 3, karakterisert ved at man i den annen fase benytter en plasmaovn som gjennomstrømmes av produktet som skal behandles.
5. 5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at man anvender en plasmaovn i form av en roterende ovn hvor aksen er skråttstilt i 3 til 60° i forhold til horisontalplanet.
6. 6. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 4 eller 5,karakterisert ved at gassene som er benyttet i den nevnte annen fase, benyttes minst delvis som plasmadannende gass i plasmaovnen.
7. 7. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av kravene 1 til 6, karakterisert ved at man underkaster det smeltede produkt en rask eller meget rask avkjøling i luft eller vann.
8. 8. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 6, karakterisert ved at man underkaster det smeltede produkt en langsom avkjøling i en støpeform.
9. 9. Fremgangsmåte ifølg hvilket som helst av kravene 1 til 8, karakterisert ved at man i den annen fase tilbakefører gassene som kommer ut etter at man har fraskilt urenheter som er blitt flyktige i dette annet trinn ved kondensasjonen . 0.
10. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av kravene 1 til 9, karakterisert ved at man fører til den første fase, gassene som kommer ut fra den annen fase, etter at disse ved kondensasjonen er separert fra de urenheter som er gjort flyktige i denne annen fase.
11. 11. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av kravene 4 til 10,karakterisert ved at man som plasmadannende gass, benytter en oksyderende gass, så som luft eller avgasser, og ved at elektrodene i plasmaovnen er graf-ittelektroder som er utstyrt med beskyttende belegg mot oksydasjon, så som silisiumkarbid eller kobber.