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