DE2749029A1

DE2749029A1 - Verfahren zur herstellung von hydraulischem zement und von zementvorstufen

Info

Publication number: DE2749029A1
Application number: DE19772749029
Authority: DE
Inventors: Jozef Kazimierz Tylko
Original assignee: Tetronics Research and Development Co Ltd
Current assignee: Tetronics International Ltd
Priority date: 1976-11-04
Filing date: 1977-11-02
Publication date: 1978-05-18
Also published as: AU515610B2; BR7707431A; ES463766A1; LU78453A1; AU3036677A; NO773776L; DK490077A; CA1107307A; US4215232A; US4152169A; NL7712144A; IT1087198B; SE7712502L; FR2370007A1; JPS5363429A

Description

PATENTANWALT DIPL. ING. K. HOLZEK PHILIPFINB-WGLSER-STBASSIi: 1«

8900 AUGSBUKQ

TELEFON 5Ιβ47β TELICX 633202 pstoi d

-H-

St.20

Augsburg, den 28. Oktober 1977

Tetronics Research and Development Company Limited, 5 B Lechlade Road, Faringdon, Oxfordshire, England

Verfahren zur Herstellung von hydraulischem Zement und

von Zementvorstufen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von hydraulischem Zement und von Zementvorstufen.

Als hydraulischer Zement werden Bindemittel bezeichnet, die bei Zugabe einer geeigneten Menge Wasser zu einer festen Masse erhärten und die aus Komplexen von mindestens zwei der Verbindungen CaO, Al₂ ⁰^ ""^ SiOp bestehen. Derartige Zementzusammensetzungen können auch gebundenes Si„0 , SiO, MgO und andere Oxide enthalten.

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Die Erfindung bezieht sich auch auf die Herstellung von ähnlichen Komplexen, die durch Zugabe geeigneter Mengen von alkalischen Aktivatoren ohne weitere Wärmebehandlung zu hydraulischen Zementen umgewandelt werden können. In vielen Fällen kann die Aktivierung bereits durch Beimischen von gewöhnlichem Portlandzement erreicht werden.

Portlandzement wird in großen Mengen durch Brennen von kalkhaltigem Material (Kalkstein, Kreide usw.), das mit geeigneten Mengen von Aluminiumsilicat-Tonen vermischt ist, hergestellt. Es ist allgemein bekannt, daß der theoretische Energiebedarf des Verfahrens sehr hoch ist und daß der thermische Gesamtwirkungsgrad des Verfahrens nur im Bereich von 30 % bis 50 % liegt. Portlandzement wird in der Praxis weit häufiger verwendet als irgendeine andere hydraulische Zementzusammensetzung. Es ist jedoch allgemein bekannt, daß es auch andere Zusammensetzungen im CaO-SiO₂-Al₂O (Fe₂O )-Systern gibt, die zufriedenstellende Erhärtungseigenschaften besitzen oder diese nach Beimischung geeigneter Mengen eines alkalischen Aktivators wie beispielsweise CaO oder Portlandzement erhalten.

Eine Zusammensetzung, die erst nach Zugabe eines Aktivators Erhärtungseigenschaften zeigt, kann als ZementVorstufe betrachtet werden. Es ist bekannt, Hoch-

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ofenschlacke mit beigemischtem gewöhnlichem Portlandzement als hydraulischen Zement zu verwenden.

Bei dem üblichen Verfahren zur kommerziellen Herstellung von Portlandzement werden die zementbildenden Rohmaterialien in einen geneigten Drehrohrofen eingeführt und unter Verwendung von kohlenstoffhaltigem Brennstoff geröstet, wobei der Brennstoff den Rohmaterialien beigemischte Kohle oder mittels eines Brenners am unteren Ende des Drehrohrofens zugeführtes öl oder Gas sein kann. Ein Drehrohrofen erfordert einen hohen Investitionsaufwand; sein Wirkungsgrad im Hinblick auf die Brennstoffausnützung ist jedoch nur bescheiden.

Beim Betrieb eines Drehrohrofens zur Herstellung von Portlandzement sind gewisse Erfordernisse zu berücksichtigen, da sich an den Drehrohrofenwänden Klinkerringe bilden, wenn das Verhältnis von Siliciumoxid zu Aluminium- und Eisenoxid unter einen Wert von etwa 2,2 : abfällt.

In einem Artikel von P. P. Glasser in "Cement and Concrete Research", 1975, Vol. 5, Seiten 55 bis 6l, wird vorgeschlagen, Portlandzement in einem Plasmaofen herzustellen, bei welchem feststehende Plasmabrenner im

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Deckel eines umlaufenden Ofenkörpers angeordnet sind, der im wesentlichen die Form eines invertierten Kegels hat. Das Rohmaterial wird durch einen axialen Zuführkanal im Ofendeckel zugeführt. Die in dem Artikel gegebene Beschreibung läßt vermuten, daß das Rohmaterial auf die Wand des umlaufenden Ofenkörpers geworfen wird, ohne daß es während des Hinfliegens zur Ofenkörperwand in eine wirksame Berührung mit dem Plasma kommt. Da3 Plasma wirkt auf einen dünnen Film geschmolzenen Materials ein, das sich auf der Wand des umlaufenden Ofenkörpers befindet, was natürlich zur Folge hat, daß die EnergieVerluste durch die Ofenwand hindurch sehr hoch sind. Der Energiebedarf für die Herstellung von Zement wird als nahezu das Zehnfache des Energiebedarfs eines herkömmlichen Drehrohrofens angegeben. Der als Produkt aus dem Plasmaofen erhaltene Klinker ist entweder grobkörnig, so daß ein erheblicher Energieaufwand zum Mahlen erforderlich ist, oder enthält übermäßig große Mengen glasartiger Bestandteile. Die angegebenen Ergebnisse sind so ungünstig, daß danach die Verwendung eines Plasmaofens zur Zementherstellung völlig aussichtslos erscheint.

Aus der GB-PS 1 390 351 ist ein Plasmareaktor bekannt, der eine um eine vertikale Achse umlaufende und mit Bezug zu dieser geneigte Plasmakanone aufweist, die mit

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einer Gegenelektrode zusammenwirkt. Bei dieser Gegenelektrode kann es sich um eine im mittleren Bereich des Reaktors angeordnete Ringelektrode oder um einen elektrisch leitfähig ausgebildeten Reaktorboden handeln.

Eine weitere Konstruktion eines Plasmareaktors ist aus der US-PS 3 936 586 bekannt. Dieser Plasmareaktor enthält eine oder mehrere Plasmakanonen, die wiederum um eine vertikale Achse umlaufen und mit Bezug zu dieser geneigt sind. Die oder jede Plasmakanone ist nach innen zur Achse hin und zu einem etwa diametral gegenüberliegenden Punkt einer ringförmigen Gegenelektrode gerichtet.

Bei den beiden eben beschriebenen Plasmareaktoren entsteht aufgrund der Umlaufbewegung der bzw. jeder Plasmakanone und aufgrund deren Neigung mit Bezug zur Umlaufachse ein Plasmastrahl, der die Mantelfläche eines Kegels bestreicht. Liegt die Drehzahl der Plasmakanone im Bereich von 1000 U/min., ist statistisch sichergestellt, daß kleine Feststoffteilchen, die aufgrund der Schwerkraft durch die Bahn des Plasmastrahles hindurchfallen, mit Ausnahme höchstens eines sehr geringen Teils in hohem Maße durch die Ionen, Elektronen oder andere stark geladene Teilchen des Plasmas oder durch Kollision mit

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derartigen energiereichen Teilchen mit Energie beaufschlagt werden. Folglich überträgt der umlaufende Plasmastrahl Energie auf Material, das sich in einem bezüglich des Plasmakanals des primären Plasmastrahls ausgedehnten Bereich befindet, und der Einflußbereich des Plasmas ist also erweitert. Dieser Effekt wird durch die Bezeichnung "expandierte präzessierende Plasmasäule¹¹ beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber den herkömmlichen Zementherstellungsverfahren wirtschaftlicheres, hinsichtlich der Zusammensetzung der Rohmaterialien weniger kritisches Verfahren zur Herstellung von hydraulischem Zement oder von Zementvorstufen zu finden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Maßnahmen gelöst.

Im weitesten Sinne besteht die Erfindung darin, daß zur Herstellung eines hydraulischen Zements oder einer ZementVorstufe ein Rohmaterial geeigneter chemischer Zusammensetzung und in ausreichend fein zerkleinerter Form durch die Plasmasäule eines Plasmareaktors der oben beschriebenen Art hindurchgeführt wird. Dadurch, daß ein Mineralgemisch geeigneter Zusammensetzung der sehr

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hohen Energiekonzentration im Plasma ausgesetzt wird, erhält man mindestens eine Oberflächenumwandlung des
Materials in einen aktiven, glasartigen oder kristallinen Zustand oder, wenn das Material ausreichend fein zerkleinert ist, eine vollständige Umwandlung der Materialteilchen in einen hydraulischen Zement bzw. eine Zementvorstufe.

Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die gesamte Wärmebehandlung des Rohmaterials während des freien
Herabfallens der Materialteilchen stattfindet, treten keine harten Ablagerungen wie beispielsweise Klinkerverkrustungen bei den herkömmlichen Drehrohrofen auf, die zu ßetriebsschwierigkeiten führen könnten. Die Zementherstellung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unterliegt daher nicht den Beschränkungen hinsichtlich des Verhältnisses von Siliciumoxid zu Aluminium- und Eisenoxid (S/R-Verhältnis) im Rohmaterial, wie dies bei
herkömmlichen Drehrohrofen der Fall ist, sondern bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren ist nur die Forderung zu stellen, daß das gebrannte Material entweder für
sich allein oder nach Beimischung eines Aktivators
Zementeigenschaften besitzen muß.

Im Gegensatz zu dem oben erwähnten Vorschlag der 809820/0715

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Zementherstellung in einem Plasmaofen mit stillstehendem Plasmabrenner und umlaufendem Ofenkörper tritt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem zerkleinertes Rohmaterial durch die van einer umlaufenden und zur Umlaufachse geneigten Plasmakanone erzeugte Plasmasäule hindurchgeführt wird, eine vollständige Umwandlung der Rohmaterialteilchen im schwebenden Zustand zu Zement oder einer Zementvorstufe ein, ohne daß die Materialteilchen zu gröberen Körnern verschmolzen werden und ohne daß in übermäßig großem Maße eine Glasphasenbildung auftritt.

Bei versuchsweiser Herstellung gewöhnlichen Portlandzements in einem kleinen Versuchs-Plasmareaktor der oben genannten Art war der Energieverbrauch nur geringfügig größer als bei einem voll entwickelten großen Drehrohrofen, was zeigt, daß mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens Portlandzement mit geringerem oder höchstens gleichem Energieaufwand wie bei einem herkömmlichen Drehrohrofen hergestellt werden kann, wenn ein in industriellem Maßstab ausgeführter Plasmareaktor verwendet wird.

Die Herstellung von Portlandzement durch Brennen normaler Portlandzement-Rohmaterialien stellt nur einen Aspekt der Erfindung dar. Das Wegfallen der Be-

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schränkung hinsichtlich des genannten S/R-Verhältnisses im Betrieb eines Drehrohrofens ermöglicht bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nämlich auch die Verwendung unüblicher Rohmaterialien zur Herstellung von Zement und von Zementvorstufen.

Sowohl in Großbritannien als auch in vielen anderen Teilen der Welt sind bereits jetzt enorme Mengen von kohlenstoffhaltigen Materialien angehäuft, die nur einen geringen Heizwert besitzen und deshalb bisher entweder als Abfall betrachtet werden (Abraum bei der Kohleförderung) oder als sich zur Gewinnung von Kohle oder Kohlenwasserstoffen nicht lohnend angesehen werden (Ölschiefer und ölsande).

Die Erfindung eröffnet die Möglichkeit, kohlenstoffhaltige Materialien dieser Art zu hydraulischen Zementen zu verarbeiten, und zwar entweder direkt zu Zementen oder zu Zementvorstufen, die durch geeignete Zusätze von Aktivatoren zu hydraulischen Zementen umgewandelt werden können. In beiden Fällen kann es erforderlich sein, dem kohlenstoffhaltigen Material zusätzliche mineralische Substanzen beizumischen, bevor die Wärmebehandlung in der Plasmasäule stattfindet, um eine geeignete chemische Zusammensetzung des Produktes zu erhalten.

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Die Abraumhalden von Kohlengruben stellen enorme Materialvorräte dar, die einen bestimmten Heizwert besitzen, der mittels der bisher bekannten technologischen Verfahren kaum nutzbar gemacht werden konnte. Abraumhalden von Kohlengruben sind jedoch auch im Hinblick auf den Umweltschutz nicht wünschenswert, so daß ihre Aufarbeitung zu nützlichen Produkten zu begrüßen wäre.

Der Heizwert des Kohlenstoffgehalts von Kohlengrubenabraum ist selten geringer als 800 kJ/kg und erreicht in vielen Fällen sogar einen Wert von etwa 10 000 kJ/kg. Selbst bei diesem letzteren Heizwert hat sich eine praktische Nutzbarmachung der gewinnbaren Wärme nicht immer als wirtschaftlich erwiesen. Da der theoretische Wärmebedarf zur Erzeugung von Portlandzement aus herkömmlichen Rohmaterialien im Bereich von 1700 kJ/kg liegt, kann der Wärmebedarf zur Herstellung von hydraulischem Zement offensichtlich vollständig oder wenigstens zum größten Teil durch den Heizwert von Kohlengrubenabraum gedeckt werden, und der Kohlengrubenabraum kann aufgrund seines Heizwertes sogar noch zusätzliche nutzbare Wärmeenergie liefern, wenn geeignete Verfahren zur Verbrennung seines Kohlenstoffgehaltes einschließlich seines Kohlenwasserstoffgehaltes entwickelt werden.

Gemäß der Erfindung kann deshalb Kohlengrubenabraum 809820/071B

oder anderes Material mit einem Kohlenstoffgehalt entsprechend einem Heizwert von mindestens 800 kJ/kg durch die Plasmasäule eines Plasmareaktors der oben beschriebenen Art hindurchpassiert werden.

Wenn das Abraummaterial oder anderes kohlenstoffhaltiges Material (entweder allein oder mit anderen Substanzen vermischt) der starken Energiezufuhr in der Plasmazone ausgesetzt ist, neigt der Kohlenwasserstoffgehalt dieses Materials mit nahezu explosionsartiger Kraft zur Reaktion, so daß das kohlenstoffhaltige Material einer gewissen Aufspaltung unterliegt und der Kohlenstoffgehalt einschließlich des Kohlenwasserstoffgehalts augenblicklich von der anorganischen Substanz getrennt wird. Dies ermöglicht eine Verbrennung des Kohlenstoffgehalts des Materials und eine Umwandlung des übrigen Materials in einen hydraulischen Zement oder eine Zementvorstufe, vorausgesetzt, daß die chemische Zusammensetzung des Rohmaterials für diesen Zweck geeignet ist. Eine Untersuchung des Produktes zeigt, daß es im wesentlichen keinen freien Kohlenstoff mehr enthält.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden die zementbildenden Rohmaterialien in Form einer kontinuierlichen Materialströmung zu einer am oberen

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Ende des Plasmareaktors im Bereich der Plasmakanone gelegenen Stelle zugeführt und fällt dann durch die zwischen der Plasmakanone und einer ringförmigen Gegenelektrode aufgebaute Plasmasäule und durch den unterhalb der Gegenelektrode vorhandenen Nachflammenbereich hindurch. Dadurch wird der Kohlenstoffgehalt der Rohmaterialteilchen in einen hochaktiven Zustand übergeführt, so daß mindestens ein Teil des Kohlenstoffgehalts sehr schnell zu CO umgewandelt wird, wenn die Teilchen nach dem Austritt aus der Plasmazone mit einem Luft- oder Sauerstoffstrom in Berührung gebracht werden. Der dadurch teilweise mit CO und Wasserstoff angereicherte und die Feststoffteilchen mitführende Luftstrom kann dann in eine Brennzone eingeleitet werden, in welcher der restliche Kohlenstoffgehalt und das bereits gebildete CO sowie der Wasserstoff mindestens teilweise zu CO₂ und HpO oxidiert werden. Die Brennzone bildet vorzugsweise einen Teil einer Abwärme-Kesselanlage, so daß die darin freigesetzte Wärmeenergie in zweckmäßiger Weise nutzbar gemacht werden kann. Eine sehr zweckmäßige Möglichkeit liegt darin, diese Energie zur Erzeugung elektrischer Energie für den Plasmareaktor auszunützen. Das feste Produktmaterial wird als Asche aus dem Gasstrom abgeschieden, wozu bekannte Vorrichtungen, beispielsweise Zyklonabscheider, Anwendung finden können.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, 809820/0715

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wobei als Gegenelektrode des Plasmareaktors der Reaktorboden verwendet wird, wird das durch die Plasmasäule hindurchfallende Material nach dem Wiederaustritt aus der Plasmazone in einem Bad mindestens teilweise geschmolzener Schlacke im Reaktorboden gesammelt. Bei den vorhandenen Betriebstemperaturen ist die geschmolzene Schlacke ausreichend elektrisch leitfähig. Besitzt das Rohmaterial einen hohen Eisengehalt (Eisenoxidgehalt), was bei Kohlengrubenabraum häufig der Fall ist, kann der Kohlenstoffgehalt des Abraums zur Reduktion mindestens eines Teils des Eisengehalts ausgenützt werden, wobei sich metallisches Eisen im Reaktorboden sammelt und periodisch abgestochen werden kann. Dabei kann wiederum das sich entwickelnde CO in einer Abwärme-Kesselanlage oder in einem anderen Rekuperator verbrannt werden.

Die geschmolzene Schlacke wird periodisch vom Reaktorboden abgestochen und kann, je nach ihrem Restkohlenstoff gehalt, in einer gesonderten Kammer einem Luftstrom ausgesetzt werden, um den restlichen Kohlenstoff auszubrennen. Sodann wird die geschmolzene Schlacke abgekühlt und gemahlen.

Bei beiden eben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung wird das in die Plasmasäule eingeführte

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kohlenstoffhaltige Material ebenso wie die in herkömmliche Drehrohröfen eingeführten Rohmaterialien gemahlen. Ein übermäßig feines Mahlen ist jedoch unnötig und es hat sich als voll zufriedenstellend erwiesen, wenn sich das gemahlene Material durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,3 mm hindurchpassieren läßt. In vielen Fällen kann aber auch eine etwas größere Teilchengröße zufriedenstellend Anwendung finden. Wenn der Kohlengrubenabraum oder das betreffende sonstige kohlenstoffhaltige Material vor dem Einführen in den Plasmareaktor mit anderen Materialien wie beispielsweise Kalkstein oder Siliciumoxid und/oder Aluminiumoxid enthaltenden Materialien gemischt werden muß, können bekannte nasse oder trockene Mischverfahren angewandt werden, wie sie in der Zementindustrie üblich sind.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß in vielen Fällen die chemische Zusammensetzung der nichtkohlenstoffhaltigen Bestandteile von Kohlengrubenabraum so ist, daß das nach dem Ausbrennen des Kohlenstoffanteils erhaltene Material sich dazu eignet, mit großem Anteil mit gewöhnlichem Portlandzement gemischt zu werden, der entweder nach dem erfindungsgemäßen Verfahren oder mittels eines herkömmlichen Drehrohrofens hergestellt worden ist. Gemäß der sich auf Kohlengrubenabraum in Großbritannien

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(der als typisch für den Kohlengrubenabraum mindestens im Bereich der nördlichen Hemisphäre anzusehen ist) beziehenden Literatur liegt das Verhältnis von SiCL zu AIpO und Fe₂O, und FeO bei diesem Abraum im Bereich von etwa 1,8 bis 2,0 : 1 und die Heizwerte liegen im Bereich von 1500 kJ/kg bis 10 000 kJ/kg. Jn allen Fällen scheint der Gehalt an CaO und MgO im Bereich von 2,5 % bis 4 % der durch vollständiges Brennen des Abraums erzeugten Asche zu liegen. In vielen Fällen ist es zu bevorzugen, vor dem Brennen des zerkleinerten Kohlengrubenabraums in einem Plasmareaktor mehr als 10 % CaO in Form von Kalkpulver beizumischen.

Obwohl sich die Erfindung hauptsächlich auf die Verwendung von Materialien mit verhältnismäßig niedrigem Heizwert bis zu etwa 10 000 kJ/kg bezieht, können in manchen Fällen auch Materialien mit hohem Heizwert wie beispielsweise Kohle und kohlenwasserstoffhaltige Altöle oder andere organische Abfallstoffe in dem in die Plasmasäule zugeführten Rohmaterial enthalten sein.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt:

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Fig· 1 einen sohematischen Vertikalschnitt

durch einen Plasmareaktor zum Brennen zerkleinerten, Kohlengrubenabraum enthaltenden Materials,

Fig. 2 einen schematischen Vertikalschnitt

einer anderen Ausführungsform des Plasmareaktors,

Fig. 3 eine schematische Darstellung, welche

die Herstellung von Portlandzement aus Kohlengrubenabraum und kalkhaltigem Material wie beispielsweise Kalkstein zeigt,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der

Herstellung von puzzolanischem schlackenartigem Material,

Fig. 5 eine schamtische Darstellung des

Herstellungsablaufs von gewöhnlichem Portlandzement und Zuschlagstoffen mittels parallel angeordneter Plasmareaktoren unter Verwendung von Kohlengrubenabraum als Rohmaterial,

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Fig. 6 ein Röntgen-Spektrogramm eines

durch Hindurchführen von normalem Portlandzement-Rohmaterial (Kalkstein und Ton) durch die Plasmasäule des in Fig. 1 gezeigten Plasmareaktors erhaltenen Produktes, wobei die ausgezeichnete Entwicklung von Zementbestandteilen erkennbar ist,

Fig. 7 ein Röntgen-Spektrogramm des durch

Hindurchführen eines Gemisches von Kohlengrubenabraum und Kalkstein im Verhältnis 1 : 1 durch die Plasmasäule nach dem in Fig. ¹I gezeigten Verfahrensab lauf gewonnenen Produktes, wobei die Entwicklung starker glasartiger Phasen erkennbar ist,

Fig. 8 ein ähnliches Röntgen-Spektrogramm

für in einer Plasmasäule behandelten Kohlengrubenabraum, und

Fig. 9 ein CaO-SiO₂-Al₂O -Dreistoffdiagramm.

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In der Portlandzement-Industrie ist es allgemein bekannt, daß die Erhärtung weitgehend auf dem Vorhandensein kristalliner hydratationsfähiger Phasen beruht, deren übliche Abkürzung und deren Zusammensetzung nachstehend wiedergegeben sind:

C₃S	3CaO ·	SiO₂	' ^Fe2°3
C₂S	2CaO ·	SiO₂
C₄AP	UCaO ·	Al₂O₃ .
C₃A	3CaO ·	Al₂O₃

Diese Terminologie wird der Zweckmäßigkeit halber nachstehend zur Erläuterung der dargestellten Vorrichtung benützt. In dem Röntgen-Spektrogramm nach Fig. 6 wird außerdem Alit und Belit erwähnt. Dabei handelt es sich um in der Zementtechnik bekannte Phasen, deren exakte Zusammensetzung jedoch noch nicht bestimmt worden ist. Man vermutet, daß Alit einen großen Gehalt an CJ3 und Belit einen großen Gehalt an C₃S enthält.

In Fig. 1 ist ein Plasmareaktor zur Herstellung puzzolanischer und zementartiger Materialien dargestellt, in welchem das Rohmaterial in schwebendem Zustand durch eine expandierte präzessierende Plasmasäule hindurchpassiert. Der Plasmareaktor weist eine geschlossene Kammer auf, die von einer innerhalb eines Mantels 1 angeordneten

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Wärmeisolation begrenzt wird. Auf dem Deckel des Mantels ist eine Tragkonstruktion 2 aufgesetzt, die einen Strömungsmittelmotor 3 trägt, der über einen Kurbeltrieb 4 mit einer Plasmakanone 5 gekuppelt ist. Die Plasmakanone ist mittels eines Kugelgelenks in einem Sockelteil 6 der Tragkonstruktion 2 gelagert. Die Antriebsbewegung des Motors 3 dient also zur Erzeugung einer Umlaufbewegung des unteren Endes der Plasmakanone 5 um die vertikale Reaktorachse. Die Längsachse der Plasmakanone ist mit Bezug auf die Reaktorachse geneigt und es findet keine Eigendrehung der Plasmakanone um ihre eigene Achse statt, so daß der Anschluß der nicht dargestellten Versorgungsschläuche für die Gas- und Kühlmittelzufuhr zur Plasmakanone sowie der Anschluß des elektrischen Speisekabels 7 für die Plasmakanone keine Probleme aufwirft. Die Plasmakanone ist zu einer ringförmigen Kohle-Gegenelektrode 9 hin gerichtet. Zwischen die Plasmakanone 5 und die Gegenelektrode 9 ist eine elektrische Energiequelle geschaltet. Um die Plasmakanone 5 herum ist eine Reihe von beispielsweise sechs bis zwölf Einlaßkanälen 8 angeordnet, durch welche zerkleinertes Rohmaterial von einem Aufgabebehälter in den Reaktor zugeführt wird. Das Rohmaterial wird mit Druckgas, beispielsweise mit Druckluft, zur Reaktorachse hin in den Reaktor eingeblasen.

Während die Materialteilchen durch die Reaktorkammer 809820/0715

hindurch nach unten sinken, wird ihnen aufgrund der Rotationsbewegung des Plasmas in Richtung des Pfeiles A eine Horizontalgeschwindigkeitskomponente mitgeteilt, wodurch in dem Bereich um den oberen Teil der Plasmasäule herum eine Wolke von Materialteilchen entsteht, die als Hit zes trahlungs abschirmung zwischen dem Plasma und der Wärmeisolation wirkt.

Wenn die Materialteilchen nach dem Hindurchpassieren durch die Gegenelektrode 9 aus dem charakteristischen Nachflammenbereich der Plasmasäule austreten, der sich nach unten über die Gegenelektrode hinauserstreckt, kommen die Materialteilchen mit durch Kanäle 10 (nur zwei Kanäle dargestellt) eingeblasener Luft in innige Berührung und der verflüchtigte Kohlenwasserstoffgehalt und der hocherhitzte Kohlenstoff des Kohlengrubenabraums oder der sonstigen kohlenstoffhaltigen Komponente des zugeführten Rohmaterials wird in der sich weiter nach unten erstreckenden Brennkammer 11 schnell oxidiert. Das teilchenförmige entkohlte Material sinkt zum Bodenbereich 12 ab, von wo es mittels eines nur schematisch angedeuteten Gitterrost-Kühlers IU abgeführt und in üblicher Weise der Kühlung zugeführt wird.

Die heißen Gase, die einen beträchtlichen Wärme-

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inhalt und auch einen wesentlichen Gehalt an unverbrannten CO sowie möglicherweise an unverbrannten Kohlenwasserstoffen besitzen, werden durch Gasauslaßkanäle 15 (nur ein Kanal dargestellt) abgezogen und einer Einrichtung zur Rückgewinnung der Wärme zugeführt, gewöhnlich einer Abwärme-Kesselanlage, wobei der Kessel die Brennkammer umschließen kann.

Die abgezogenen Gase führen einen wesentlichen Gehalt an sehr feinen Feststoffpartikelchen oder Flüssigkeitströpfchen mit sich, die, vorzugsweise nach Verbrennung des CO-Gehalts, mit Hilfe eines an sich bekannten Staubabscheiders abgeschieden werden.

Die Abkühlung der Produktteilchen, die im Bodenbereich 12 gesammelt werden, kann je nach Art des Produktes auf verschiedenartige Weise stattfinden. Ist das Produkt zementartig, wird es trocken gesammelt, bei einem puzzolanischen Produkt ist auch ein nasses Sammeln (in Wasser) möglich.

In beiden Fällen ist es möglich, die Betriebsparameter des Plasmareaktors, d.h. die Rohmaterialzufuhr, die elektrische Energiezufuhr und die Drehzahl der Plasmakanone so einzustellen, daß ein fein gesintertes Produkt mit nur minimalen Mengen größerer verschmolzener Klumpchen

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entsteht. Mögli cherv/eise vorhandene Klümpchen können leicht mittels bekannter Verfahren granuliert werden.

Die dargestellte Anordnung ist so ausgelegt, daß, obwohl im Bereich oberhalb und unmittelbar unterhalb der Gegenelektrode 9 eine reduzierende Atmosphäre vorherrscht, das Einblasen von Luft durch die Kanäle 10 und gegebenenfalls durch weitere, weiter unten liegende Kanäle (nicht dargestellt) ein vollständiges Ausbrennen des Kohlenstoffgehalts bewirkt und möglicherweise vorhandenes Eisen in den gewünschten Phasen wie beispielsweise C₁₄AF und anderen gebunden wird. Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung ist deshalb nicht für die Abtrennung von Eisen in metallischer Form geeignet.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Plasmareaktor sind zur Bezeichnung gleicher Bauteile die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet. Bei dem Plasmareaktor nach Fig. 2 ist die Gegenelektrode jedoch durch einen auf Kohle bestehenden Bodenteil 19 gebildet, der außerdem als Sammelgefäß für das geschmolzene Produkt dient. Diese Anordnung arbeitet unter schwach reduzierenden Bedingungen, um Eisen aus dem Rohmaterial durch Reduktion von dessen Eisenoxidgehalt in metallischer Form abzutrennen. Das gewonnene metallische Eisen bildet im Boden 19 eine gesonderte

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Schicht 20 und läßt sich leicht von der darüber befindlichen Schlackenschicht 21 trennen. In diesem Reaktor können gewünschtenfalls schwach oxidierende Bedingungen aufrechterhalten werden, solange der aus Kohle bestehende Bodenteil von geschmolzenem Material überdeckt ist. Die hauptsächliche Betriebsart dieses Plasmareaktors ist jedoch der Betrieb unter reduzierenden Bedingungen, welche das Sammeln von geschmolzenem Metall ermöglichen. Die Produkte (Metall und Schlacke 21) können durch Abstichkanäle 22 und 23 abgestochen werden oder der gesamte Reaktor kann kippbar ausgebildet sein, um das am Boden befindliche geschmolzene Material abgießen zu können. Ist der Reaktor kippbar, kann er periodisch geleert werden, indem zuerst die Schlacke und sodann das gesammelte Metall durch den Gasauslaßkanal 24 ausgegossen wird. Nach dem Ausgießen der geschmolzenen Schlacke kann diese während des Mahlens mittels eines Luftstromes zusätzlich oxidiert werden.

Zusätzlich zum Gasauslaßkanal kann der dargestellte Plasmareaktor vorzugsweise mit einem oder mehreren Lufteinlaßkanälen ausgestattet sein, so daß in einem unmittelbar über der geschmolzenen Schlacke 21 gelegenen Bereich schwach oxidierende Bedingungen hergestellt werden können.

Es ist natürlich klar, daß die in den Fig. 1 und 2

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beispielsweise dargestellten Reaktoren in der Praxis in erheblichem Maße abgewandelt werden können. Wesentlich ist jedoch, daß durch die Anwesenheit der Plasmasäule in einem wesentlichen Bereich der mittigen Reaktorkammer eine starke Energieübertragung auf das zu behandelnde Material stattfindet. Obwohl es bei dem in Fig. 2 gezeigten Reaktor nicht unbedingt wesentlich ist, daß das zugeführte Material im schwebenden Zustand mit der expandierten ρ rä ze ssier en den Plasmasäule in Berührung kommt, ist dies doch sehr zu bevorzugen.

Fig. 3 zeigt schematisch den Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung von hydraulischem Zement, wobei das Rohmaterial einen verhältnismäßig großen Anteil Kalkstein enthält, was beispielsweise bei der Herstellung von gewöhnlichem Portlandzement der Fall ist. Kohlengrubenabraum 31 und Kalkstein 32 werden jeweils in einem Brechwerk 33 bzw. grob gemahlen und in einem Silo 35 bzw. 36 gespeichert. Aus den Silos 35 und 36 gelangen die Materialien in einen Mischer 37 und das gemischte Rohmaterial wird anschließend in einem Mahltrockner 38 mittels durch eine Leitung 44 rezirkulierter Gase getrocknet und weiter gemahlen, obwohl regelmäßig eine geringere Mahlfeinheit erforderlich ist als bei herkömmlichen Verfahren. Findet ein nasses

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oder halbtrockenes Verfahren zum Mischen des Kohlengrubenabraums mit dem Kalkstein Anwendung, kann der Mahltrockner 38 durch einen Sprühtrockner 38a ersetzt sein. Das gemischte und gemahlene Rohmaterial wird in einen Silo 39 transportiert. Das aus diesem Silo 39 zugeführte Rohmaterial wird mit heißer Luft aus einer Leitung 43 vermischt und sodann in einen Zyklonvorwärmer 40 eingeleitet. Die durch die Leitung 43 zugeführte heiße Luft wird von einer Produktgranuliervorrichtung 42 abgezogen. Das vorgewärmte Rohmaterial wird mittels Luft durch eine kranzartige Anordnung von gleichen gegenseitigen Abständen aufweisenden, nicht dargestellten Einlaßkanälen in einen Plasmareaktor 11 der in Fig. 1 oder in Fig. 2 gezeigten Art eingeblasen, so daß das Material einen etwa zylindrischen Vorhang von in den oberen Bereich der expandierten präzessierenden Plasmasäule hineinfallenden Teilchen bildet. Die den Reaktor 11 verlassenden Produkte gelangen in eine Granuliervorrichtung 42, wo sie unter gleichzeitigem Einblasen kalter Luft aus einer Leitung 53 granuliert und sodann einem Mahlwerk 51 zugeführt werden, in welchem auch Aktivatoren oder andere Modifikatoren beigemischt werden können. Schließlich gelangt das Produkt in einen Produktsilo 52.

Die den Reaktor 11 durch einen Kanal 46 verlassenden

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heißen Abgase können auf verschiedenartige Weise nutzbar gemacht werden, wobei eine Möglichkeit darin besteht, sie einer Abwäree-Kesselanlage 47 zuzuführen, die mit einem elektrischen Generator 48 gekoppelt ist. Die auf diese Weise erzeugte elektrische Energie kann, je nach dem Heizwert des Kohlengrubenabraums, für den Betrieb des Plasmareaktors Ml ausreichen. Die Abgase aus der Abwärme-Kesselanlage können über eine Leitung 50 einer weiteren Ausnützung durch weitere Hilfseinrichtungen zugeführt werden. Die jeweils optimale Ausnützung des Hauptteils der Abwärme hängt von einer Reihe von Paktoren ab, von denen die wichtigsten der Kohlenstoffgehalt des Abraums oder des sonstigen kohlenstoffhaltigen Rohmaterials und die Art des herzustellenden Produktes sind, d.h. ob mehr oder weniger große Mengen kalkhaltiger Stoffe im Rohmaterial enthalten sein müssen.

Fig. 4 zeigt in vereinfachter schematischer Form einen weiteren Aspekt der Erfindung, nämlich die Herstellung von Plasmareaktorschlacke. Gleiche Mengen von Kohlengrubenabraum und Kalkstein (insgesamt etwa 2,8 t) werden einem Mahltrockner 6l zugeführt, der von einer Kühleinrichtung 65 über eine Leitung 67 mit heißer Luft gespeist wird. Das grob gemahlene und getrocknete Rohmaterial wird in einen Plasmareaktor 62 der in Fig. 1

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gezeigten grundsätzlichen Art eingeführt. Zur Verbrennung von Kohlenstoff und Wasserstoff wird Luft durch einen Kanal 63 zugeführt, um die Oxidationsfähigkeit der Produkte zu steuern. Die sich aus der Verbrennung des Kohlenstoffgehalts des Kohlengrubenabraums ergebende überschüssige Wärme wird einer Abwärme-Kesselanlage 64 zugeführt. Die als Produkt entstehende Plasmareaktorschlacke gelangt in die Kühleinrichtung 65. Die bei diesem Beispiel erhaltene Schlacke (2 t) kann mit Wasser gekühlt werden, da sie selbst nicht zementartig ist, sondern einen Zusatz irgendeines an sich bekannten Aktivators erfordert. Die in der Abwärme-Kesselanlage 64 nutzbar gemachte Wärmeenergie wird in einem elektrischen Generator 66 in elektrische Energie umgewandelt, die zum Betrieb des Plasmareaktors 62 verwendet wird. Die Massen- und Energiebilanzen zeigen, daß beispielsweise bei einem Kohlegehalt des Kohlengrubenabraums von 20 % und einem Umwandlungsgrad in elektrische Energie von nicht mehr als 30 % eine Herstellung einer breiten Vielfalt von Plasmareaktorschlacken möglich ist, wobei die gesamte, zum Betrieb des Reaktors erforderliche elektrische Energie durch Ausnutzung des Brennwertes des Kohlengrubenabraums bereitgestellt wird.

Fig. 5 zeigt ein weiteres schematisches Diagramm

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eines Verfahrens, bei welchem der Heizwert von Kohlengrubenabraum zur Herstellung nützlicher Produkkte ausgenützt wird. Bei dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel wird der Kohlen gruben ab raum hauptsächlich zur Herstellung verhältnismäßig grobkörniger Materialien mittels eines Plasmareaktors mit expandierter präzessierender Plasmasäule ausgenützt und die dabei freigesetzte überschüssige Energie wird zum Betrieb eines Plasmareaktors verwendet, in welchem gewöhnlicher Portlandzement unter wesentlich endothermen Bedingungen aus einem Gemisch aus Abraum und Kalkstein im Verhältnis 1 : M hergestellt wird. Der Kohlengrubenabraum wird hier hauptsächlich zur Herstellung geschmolzener Massen verwendet, für welche ein vielfältiger und wachsender Bedarf auf verschiedenen Gebieten besteht.

In dem Verfahrensdiagramm nach Fig. 5 sind zwei parallel angeordnete Plasmareaktoren 73 und 78 gezeigt. Der Reaktor 73 wird mit 0,Mt Kohlengrubenabraum und mit 1,6 t Kalkstein gespeist, nachdem diese Materialien in einem Mahltrockner 71 grob gemahlen und mit Hilfe heißer Luft aus einer Produktkühleinrichtung 75 getrocknet worden sind. Die Abgase aus dem Plasmareaktor 73 werden in einer Abwärme-Kesselanlage 7M nutzbar gemacht, und das Produkt wird in der Kühleinrichtung 75 luftgekühlt. Die Ausbeute beträgt eine Tonne Portlandzement.

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Der andere Plasmareaktor 78 wird mit 6,0 t Kohlengrubenabraum gespeist, der in einem Mahltrockner 77 mit Hilfe von durch eine Leitung 82 aus einer Produktkühleinrichtung 80 zugeführten heißen Gasen getrocknet und grob gemahlen und danach auf eine Korngröße im Bereich von 1 mm bis 20 mm gesiebt worden ist. Die durch die Entkohlung des einen geeigneten Heizwert besitzenden Kohlengrubenabraums gewonnene große Wärmemenge wird in einer Abwärme-Kesselanlage 69 nutzbar gemacht, die über einen Energieflußkanal 81 einen Generator 83 speist, der die beiden Plasmareaktoren 73 und 78 mit elektrischer Energie versorgt.

Die gezeichnete Breite der Energieflußkanäle 76, 8l, 8*J und 85 in Fig. 5 zeigt schematisch die Verteilung der aus dem Kohlengrubenabraum gewonnenen und im Generator 83 umgewandelten Energie.

Die jeweils vom Kohlengrubenabraum gewonnene Wärmemenge hängt auch von der Teilchengröße der in die Plasmasäule eingeführten grobkörnigen Materialteilchen ab. In den meisten Fällen werden die Materialteilchen nur im Oberflächenbereich entkohlt und erhalten dabei eine glasartige Oberfläche, beispielsweise puzzolanisches Material, während der Kern der Teilchen im wesentlichen unverändert bleibt. Dies stellt ein wesentliches Merkmal der

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Erfindung dar, und die glasartige Oberfläche dieser verhältnismäßig leichten Materialteilchen kann als Zementvorstufe betrachtet werden. Die glasartige Oberflächenschicht dieser Teilchen ist im wesentlichen kohlenstoffrei, so daß sie, wenn sie mit alkalischen Zementkomponenten eines betonbildenden Gemisches in Berührung gebracht wird, in einen zementartigen Zustand aktiviert werden kann.

Entsprechend dem jeweiligen Heizwert des Kohlenstoffgehalts des Kohlengrubenabraums kann das Verhältnis der Produkte (Zuschlagstoffe und Zement oder Zementvorstufe) derart gewählt werden, daß die bei der Materialbehandlung in den Plasmareaktoren 73 und 78 aus dem Kohlengrubenabraum freigesetzte überschüssige Wärmeenergie zur Speisung beider Reaktoren mit elektrischer Energie ausreicht. Obwohl die Möglichkeit besteht, die gesarate, zur Durchführung des Verfahrens benötigte elektrische Energie auf diese Weise bereitzustellen, braucht dies nicht unbedingt in jedem Fall zweckmäßig oder wirtschaftlich zu sein.

Kurz zusammengefaßt, beinhaltet die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung vier verschiedener Gruppen von Produkten, die in der Reihenfolge steigenden Energiebedarf nachstehend aufgezählt

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1) Zuschlagstoffe: Diese müssen lediglich eine ausreichende Festigkeit durch geeignetes Schmelzen mit Entwicklung der Glasphase erhalten. In vielen Fällen reicht eine ausreichend dicke glasartige Oberflächenschicht aus, die sich beim Durchgang durch die Plasmasäule bildet. Diese Stoffe brauchen keinen Kalk zu enthalten, weshalb nur wenig Energie erforderlich ist.

2) Puzzolanische pulverisierte Aschen: Dabei handelt es sich um Stoffe, die regelmäßig nur einen kleinen Gehalt an CaO (1 % bis 15 %) enthalten und deshalb eine gewisse Energiemenge zur Umwandlung des ursprünglichen CaCO -Gehalts von Kalkstein oder Kreide in CaO benötigen. Diese Stoffe bestehen gewöhnlich in der Hauptsache aus Aluminiumsilicaten und etwas Eisensilicaten, können jedoch auch nur Siliciumoxid enthalten, beispielsweise Sand mit einem kleinen Eisenoxidgehalt. Kalkhaltige Stoffe können beigegeben werden oder bereits in ausreichendem Maße vorhanden sein. Die Produkte haben eine glasartige Struktur.

3) Puzzolanische Schlacken: Diese sind ebenfalls glasartig (gute puzzolanische Eigenschaften ergeben sich stets aus der glasartigen Struktur, was auch für die

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puzzolanischen pulverisierten Aschen gilt, während kristalliner Aufbau keine puzzolanischen Eigenschaften bringt). Derartige Schlacken erfordern im allgemeinen mehr CaO im Produkt (etwa 25 % bis 45 J) und folglich erfordert ihre Herstellung mehr Energie zur Umwandlung von CaCO-z ^zu CaO als bei der Herstellung von puzzolanischen Aschen.

¹O Portlandzemente; Diese Stoffe besitzen von Natur aus Zementeigenschaften und alle ihre zementbildenden Komponenten sind kristallin. Ihre Herstellung ist wegen des erforderlichen großen CaO-Gehalts im Produkt (etwa 60 % bis 70 %) wesentlich stärker endotherm.

Es ist zu erwähnen, daß die Herstellung zementartiger Stoffe mit einem CaO-Gehalt im Produkt von 50 % bis 60 % unwirtschaftlich ist, da einige der sich bei solchen Zusammensetzungen bildenden Phasen nicht zementartig sind.

Die Erfindung ermöglicht eine Ausdehnung der Herstellung puzzolanischer und zementartiger Stoffe auf viel größere Bereiche im vereinfachten CaO-SiOg-AlgOj-Dreistoffdiagramm (siehe Fig. 9), als es mit herkömmlichen Drehrohröfen praktizierbar ist. Die der herkömmlichen Technologie auferlegten Beschränkungen beruhen auf der Unfähigkeit von

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Drehrohröfen, Rohmaterialien mit einem senr nonen oder sehr niedrigen Siliciumoxid-Verhältnis zu verarbeiten. Das Siliciumoxid-Vernaltnis ist als

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definiert. Da die llaterialien oei dem erf in dungs gemäßen Verfahren im schwebenden Zustand aufbereitet v/erden, entfallen diese Beschränkungen.

Fig. 6 zeigt ein Rontgen-Spektrogramm eines Portlandzements, der durch Behandlung eines herkömmlichen Kalkstein-Ton-Rohmaterials in der expandierten prozessierenden Flasmasäule eines Plasmareaktors hergestellt wurde. Fig. 6 läßt die Entwicklung hochkristalliner Phasen mit allen, für das für Portlandzement typische zementartige Verhalten notwendigen Komponenten und nur einen sehr kleinen Restgehalt an freiem Kalk erkennen.

Fig. 7 zeigt dagegen den hohen Anteil glasartiger Substanden von puzzolanischer ocnlacke, die durch Aufbereitung von Kohlengrubenabraum und Kalkstein in der Plasmasäule gewonnen wurde, wobei nur sehr unwesentliche kristalline «-Quarz-Spitzen erkennbar sind. Dies

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entspricht den Forderungen an eine mit Portlandzement oder einem anderen Aktivator zu mischende puzzolanische Schlacke.

Fig. 8 zeigt die Glasphasenentwicklung, die sich bei der Plasmabehandlung reinen Kohlengrubenabraums ergibt, wobei charakteristische Spitzen infolge von Mullit und c<-Quarz erkennbar sind.

Alle drei oben erläuterten Röntgen-Spektrogramme stammen von Produkten, die durch Behandlung der Materialien in schwebendem Zustand gewonnen wurden.

Die Zusammensetzung der Rohmaterialien und der Produkte, auf welche sich die in den Fig. 7 und 8 gezeigten Röntgen-Spektrogramme beziehen, sind nachstehend wiedergegeben:

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50 % Abraum 50 % Kalkstein

100 % Abraum

Bestand teil	Rohmat. /0	Produkt	Ronmat. %	Froaukt %
SiO₂	31,3	42,8	48,8	56,4
Al₂O₃	13,3	20,1	23,9	30,8
Fe₂O₃	2,6	3,3	3,2	4,5
CaO	22,4	28,5	1,4	1,9
MgO	1,0	2,7	1,2	3,9
Erhitzungs- verluste	25,0	0,2	16,0	-
Unbestimmt	4,4	2,4	5,5	2,5

100,0

Die folgende Übersicht zei^t die Ergebnisse eines Vergleichs der Eigenschaften des Produkts entsprechend Fig. 7 und des Produkts entsprechend Fig. 8 jeweils nach Beimischung von gewöhnlichem Portlandzement im jeweils angegebenen Verhältnis mit den Eigenschaften, die man erhält, wenn man herkömmliche Hochofenschlacke und herkömmliche puzzolanische Asche mit den gleichen Teilen beimischt.

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Druckfest. (MN/m ) ISO Mörtelprisma, erhärtet bei:

20 ⁰C 7 Tage 28 Tage

Puzzolanizität (Lea) ISO Prisma, erhärtet bei:

18 ⁰C

50 ⁰C

7 Tage 7 Tage

Vergleichs-Port landzement 40,3

Prod. Fig. 8 20 % Ersatz 30,0

Puzzol.

Vergleichs-

asche

20 % Ersatz 32,0

Prod. Pig. 7 50 % Ersatz 20,0

Vergleichs-

s ch lacke

50 % Ersatz 26,0

60,1

41,7

53,2 UO % Ersatz 24,7

50,4 40 % Ersatz 22,8

61,9 40 % Ersatz 26,9

38,8 41,9

32,8 43,1

64,0 40 % Ersatz 31,8 45,2

*nach P.M. Lea: "The Chemistry of Concrete and Cement", S. 449

Die Behandlung der Materialien in einer expandierten präzessierenden Plasmasäule kann in der Zementindustrie in vielfältiger Weise erfolgen. Insbesondere eröffnet die Verwendung von Kohlengrubenabraum und anderen kohlenstoffhaltigen Materialien mit niedrigem Brennwert eine Möglich-

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keit der Verwendung einer viel breiteren Palette von einheimischen Rohmaterialien, die bisher nur als Abfall oder als verhältnismäßig wertlos betrachtet worden sind. Der Plasmareaktor kann anstelle eines herkömmlichen Drehrohrofens verwendet v/erden und kann infolge seiner geringen Größe dort errichtet werden, wo ein vorhandener Drehrohrofen ausgetauscht werden muß.

Gemäß einer weiteren Alternative der Erfindung können die bei der Herstellung puzzolanischer Materialien entstehenden Abgase eines Plasmareaktors, die einen hohen Restheizwert besitzen, zu einem herkömmlichen Drehrohrofensystem weitergeleitet und dort verbrannt werden.

Fig. 9 zeigt die Zusammensetzung zementartiger Materialien und puzzolanischer Materialien, die gemäß der Erfindung hergestellt werden können. In dieser Darstellung zeigt die schraffierte Fläche A die bevorzugte und typische Zusammensetzung von Portlandzement. Der die Fläche A umschließende Flächenbereich B zeigt die Zusammensetzung von nach dem erfindungsgemaßen Verfahren herstellbaren zementartigen Materialien. Einige dieser in diesem Flächenbereich liegenden Materialzusammensetzungen können in einem herkömmlichen Drehrohrofen nicht hergestellt

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werden, da dort das Siliciumoxid'-Verhältnis zur Bildung von Verkrustungen an den Ofenwänden führen würde.

Die Fläche C zeigt die zu bevorzugenden Zusammensetzungen von puzzolanischen Materialien, während der die Fläche C umschließende Flächenbereich D weitere nützliche puzzolanische Materialien darstellt, die gemäß der Erfindung unter Verwendung einer expandierten präzessierenden Plasmasäule herstellbar sind.

Die Fläche E zeigt die Zusammensetzung von hoch aluminiumoxidhaltigen Zementen, die nach der Erfindung erzeugbar sind.

In diesem Diagramm nach Fig. 9 sind andere Komponenten als CaO, SiOp und Al_0^ nicht berücksichtigt. In der Praxis können die Zemente jedoch bis zu 6 % MgO, bis zu 6 % Eisenoxide und bis zu 10 % andere Oxide (TiO₂, NhO usw.) enthalten.

Für die Herstellung hydraulischer Portlandzemente liegt der minimale CaO-Gehalt bei 58 % und der maximale CaO-Gehalt bei 72 %; während bei puzzolanischen Materialien der maximale CaO-Gehalt 55 % beträgt.

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Es sind bereits zahlreiche Versuche unternommen worden, bei der Zeraentnerstellung geringerwertige Brennstoffe auszunützen, jedoch sind diese Versuche wegen des dabei auftretenden Problems der Verunreinigung des Zementklinkers durch Asche wenig erfolgreich gewesen. Die Rückgewinnung der Wärmeenergie im Plasmareaktcr löst dieses Problem. Die Abgase aus dem Plasmareaktor werden zweckmäßigerweise einem Flammencalcinierer zugeführt, in welchem der Kalkstein des Zementrohmaterials zu CaO calciniert wird, bevor er in den Drehrohrofen eintritt.

wie bereits erwähnt, kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Herstellung von Zement und ZementVorstufen aus Rohmaterialien Anwendung finden, die einen hohen Eisengehalt besitzen, und eignet sich vorteilhaft zur Erzeugung verwertbaren Metalles als Nebenprodukt ebenso wie nur zur Beseitigung unerwünschten Eisens oder unerwünschter Eisenoxide aus dem Produkt.

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Claims

Patentansprüche

Γl) Verfahren zur Herstellung von hydraulischem Zement und von ZementVorstufen, dadurch gekennzeichnet, daß in eine expandierte, präzeesierende Plasmasäule, die in einem Plasmareaktor zwischen einer um eine vertikale Achse umlaufenden und zu dieser Achse geneigten Plasmakanone und einer damit zusammenwirkenden Gegenelektrode erzeugt wird, zerkleinertes Rohmaterial derart eingeführt wird, daß es durch die Plasmasäule hindurchsinken kann, wonach das aus der Plasmasäule wiederaustretende Material als Produkt gesammelt wird, und daß das Rohmaterial nach vollständiger Calcinierung einen wesentlichen Gehalt an Siliciumoxid oder Aluminiumoxid, weiter ein durch die schraffierten Flächenbereiche in Fig. 9 gegebenes Verhältnis von CaO : SiO₂ : AlgO, und einen CaO-Gehalt von weniger als 55 % oder im Bereich von 58 % bis 72 % besitzt, und daß das Rohmaterial im calcinierten Zustand bis zu 6 % MgO, bis zu 6 K Eisenoxide und bis zu 10 % andere Oxide enthält.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zerkleinerte Rohmaterial zu einem wesentlichen Teil oder vollständig aus einem in der Natur vorkommenden mineralischen Material besteht, das einen einem nutzbaren Heizwert entsprechenden Kohlenstoffgehalt aufweist.

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3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Natur vorkommende mineralische Material Kohlengrubenabraum ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Natur vorkommende mineralische Material Ölschiefer oder ölsand ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zerkleinerte Rohmaterial Kohle, kohlenwasserstoffhaltiges Altöl oder andere organische Abfallstoffe enthält.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß das wieder aus der Plasmasäule austretende Material, während es sich noch in fein verteiltem Zustand befindet, mit einem sauerstoffhaltigen Gasstrom in Berührung gebracht wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das wieder aus der Plasmasäule austretende Material in einem Bad geschmolzener Schlacke im Boden des Plasmareaktors gesammelt wird und daß die Schlacke nach der Herausnahme aus dem Reaktor mit sauerstoffhaltigem Gas in Berührung gebracht wird.

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8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Berührung des Materials mit der Plasmasäule entstehenden gasförmigen Produkte zur Nutzbarmachung ihres Heizwertes mit sauerstoffhaltigem Gas in Berührung gebracht werden.
9. Verfahren nach einem der Asnprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Plasmasäule behandelte Material und/oder die gasförmigen Produkte in einer Abwärme-Kesselanlage mit dem sauerstoffhaltigen Gas reagiert werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die durch Verbrennung des kohlenstoffhaltigen Materials gewonnene Wärmeenergie zur Erzeugung elektrischer Energie zur Speisung des Plasmareaktors ausgenützt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohmaterial auf eine Korngröße im Bereich von 1 mm bis 20 mm gemahlen und sodann unter derartigen Bedingungen durch die Plasmasäule hindurchpassiert wird, daß sich auf den Teilchen eine glasartige Oberflächenschicht bildet.

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