LU103414B1 - Verfahren zur optimierten Beladung von Altbeton mit Kohlendioxid - Google Patents

Verfahren zur optimierten Beladung von Altbeton mit Kohlendioxid

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LU103414B1 LU103414A LU103414A LU103414B1 LU 103414 B1 LU103414 B1 LU 103414B1 LU 103414 A LU103414 A LU 103414A LU 103414 A LU103414 A LU 103414A LU 103414 B1 LU103414 B1 LU 103414B1
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bindung von Kohlendioxid an einen Altbaustoff 10, wobei die Umsetzung in einem Carbonatisierungsreaktor 20 durchgeführt wird, wobei dem Carbonatisierungsreaktor 20 ein Altbaustoff 10 zugeführt wird, wobei dem Carbonatisierungsreaktor 20 ein Kohlendioxid-haltiges Gas 30 zugeführt wird, wobei aus dem Carbonatisierungsreaktor 20 ein Carbonatisierungsprodukt 50 abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Elementaranalyse 60 der Erdalkalianteil des dem Carbonatisierungsreaktor 20 zugeführten Altbaustoffs 10 und/oder des aus dem Carbonatisierungsreaktor 20 abgeführten Carbonatisierungsprodukts 50 bestimmt wird, wobei der Carbonatisierungsgrad C des Carbonatisierungsprodukts 50 IR-spektroskopisch bestimmt wird, wobei ein Carbonatisierungsgradgrenzwert Cmax festgelegt wird, wobei bei einem Unterschreiten des Carbonatisierungsgradgrenzwerts Cmax die Zufuhr des Altbaustoffs 10 zum Carbonatisierungsreaktor 20 reduziert wird und/oder die Zuführung des Kohlendioxid-haltigen Gases 30 zum Carbonatisierungsreaktor 20 erhöht wird, wobei bei einem Überschreiten des Carbonatisierungsgradgrenzwerts Cmax die Zufuhr des Altbaustoffs 10 zum Carbonatisierungsreaktor 20 erhöht wird und/oder die Zuführung des Kohlendioxid-haltigen Gases 30 zum Carbonatisierungsreaktor 20 reduziert wird.

Description

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Beschreibung
Titel
Verfahren zur optimierten Beladung von Altbeton mit Kohlendioxid
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optimierten Steuerung zur Recarbonatisierung von Altbeton.
Im Rahmen der grünen Transformation wird zunehmend die Abtrennung von bei
Prozessen entstehen im Kohlendioxid diskutiert und umgesetzt. Dieses erfordert aber auch die langzeitsichere Speicherung dieses abgetrennten Kohlendioxids, um eine ungewollte nachträgliche Emission in die Atmosphäre zu verhindern. Eine Möglichkeit ist hierbei, dass Kohlendioxid an Altbeton zu binden. Bereits während der Lebensdauer eines Betonbauwerks werden bis zu 20 % des bei der Herstellung freigesetzten
Kohlendioxid wieder gebunden. Nach einem Abriss und einer Zerkleinerung besteht somit ein gutes Potential zur Aufnahme von Kohlendioxid, welches damit chemisch sehr stabil gebunden wird und damit eine sichere Langzeitbindung ermöglicht.
Aus der DE 10 2022 132 073 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur effizienten
Reduktion von Kohlendioxidemissionen bekannt.
Aus der DE 10 2023 133 490 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur effizienten
Reduktion von Kohlendioxidemissionen bekannt.
Eine Herausforderung ist hierbei, dass Potential zwar optimal zu nutzen, jedoch ist dabei
ZU berücksichtigen, dass eine zu hohe Beladung selber wieder unnötig Energie benötigt und somit selber zu einer potentiellen Emissionsquelle wird. Es stellt sich somit die
Herausforderung die optimale Beladung im Prozess zu erreichen.
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Erschwerend kommt hinzu, dass Altbeton oder auch aufbereiteter Altbeton eben keine klar definierte Ausgangseigenschaft aufweist, sodass eine dynamische
Prozesssteuerung zur Anpassung an Schwankungen in Ausgangsmaterial zielführend ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Prozessteuerung für die bekannten Verfahren zu schaffen, sodass eine optimale Bindung von Kohlendioxid bei einem effizienten
Energieeinsatz ermöglicht wird.
Gelöst wird diese Aufgabe durch das Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen
Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Bindung von Kohlendioxid an einen
Altbaustoff. Altbaustoffe sind insbesondere Altbeton und Aufarbeitungsprodukte daraus.
Altbeton wird üblicherweise versucht, beispielsweise durch Zerkleinern so aufzuwerten, dass Siliciumdioxid, also die inerte Sandkomponente, abgetrennt und damit der
Altzementstein angereicht wird, der einen hohen Anteil an abgebundenem Calciumoxid aufweist. An dieses lässt sich dann Kohlendioxid wieder binden unter der Entstehung von
Calciumcarbonat. Je höher der Anteil an Altzementstein ist, umso einfacher ist die
Recarbonatisierung. Daher werden viele Altbaustoffe in unterschiedlichen
Aufarbeitungsgraden verwendet, um eine Balance zwischen Energieaufwand zur
Aufwertung und Energieeinsparung bei der Recarbonatisierung zu finden. Daher ist die
Zusammenfassung als Altbaustoff zielführend. Die Umsetzung wird in einem
Carbonatisierungsreaktor durchgeführt. Derartige Reaktoren sind aus dem Stand der
Technik in vielfältiger Art bekannt und können insbesondere als Slurry-Reaktor,
Wirbelschichtreaktor oder auch als Flugstromreaktor ausgeführt sein. Für die Reaktion ist eine gewisse Feuchte von wenigstens einigen Gewichtsprozent an Feuchte, also frei
240516P00LU 3 LU103414 verfügbarem Wasser, notwendig. Der Carbonatisierungsreaktor selber kann hierbei zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in jeder bekannten Art und Weise ausgeführt sein. Dem Carbonatisierungsreaktor wird ein Altbaustoff zugeführt. Weiter wird dem Carbonatisierungsreaktor ein Kohlendioxid-haltiges Gas zugeführt, beispielsweise ein zu reinigendes Abgas, bevorzugt angereicht an Kohlendioxid. Dadurch wird die Recarbonatisierung im Carbonatisierungsreaktor möglich. Aus dem
Carbonatisierungsreaktor wird entsprechend ein Carbonatisierungsprodukt abgeführt.
Dieses ist dem Fachmann bekannt und kann in jeder möglichen Ausführungsform realisiert sein.
Erfindungsgemäß wird mittels Elementaranalyse der Erdalkalianteil des dem
Carbonatisierungsreaktor zugeführten Altbaustoffs und/oder des aus dem
Carbonatisierungsreaktor abgeführten Carbonatisierungsprodukts bestimmt. Dieses gibt den Basiswert, also die maximale Menge an Material, die carbonatisiert werden kann. Da wie bereits ausgeführt die Zusammensetzung in einem Altbaustoff stark schwankend sein kann, abhängig von als Ausgang verwendeten Altbeton sowie vom Grad der Aufarbeitung und Altzementsteinanreicherung, ist die Elementaranalyse der geeignetste Weg, um somit ein Maß für die theoretisch mögliche Carbonatisierung zu ermitteln, also quasi den 100 % Wert zu ermitteln. Hierbei kann die Elementaranalyse vor der Einbringung in den
Carbonatisierungsreaktor oder nach der Umsetzung und Ausbringung aus dem
Carbonatisierungsreaktor erfolgen, da sich aus beiden Messungen der gleiche Basiswert ermitteln lässt. Natürlich kann die Elementaranalyse auch an beiden Stellen erfolgen. Der
Carbonatisierungsgrad des Carbonatisierungsprodukts wird IR-spektroskopisch bestimmt. Die Verwendung der IR-Spektroskopie in der Zementindustrie ist eher ungewöhnlich, hat sich aber zur quantitativen Carbonatbestimmung als besonders geeignet erwiesen. Es wird ein Carbonatisierungsgradgrenzwert festgelegt. Der
Carbonatisierungsgradgrenzwert, beispielsweise 80 % steht das ökologische und ökonomische Optimum dar, bei dem eine Erreichung eines höheren
Carbonatisierungsgrades zwar eine bessere Ausnutzung der Speicherkapazität zo bedeutet, aber eben auch einen dafür steigenden Energiebedarf erzeugt und so potentiell wieder eine Emissionsquelle generiert. Der genaue Carbonatisierungsgradgrenzwert ist insbesondere auch von dem konkreten Carbonatisierungsreaktor abhängig. Bei einem
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Unterschreiten des Carbonatisierungsgradgrenzwerts wird die Zufuhr des Altbaustoffs zum Carbonatisierungsreaktor reduziert und/oder die Zuführung des Kohlendioxid- haltigen Gases zum Carbonatisierungsreaktor erhöht und/oder die Aufgabefeinheit erhöht wird und/oder Betriebsparameter des Carbonatisierungsreaktors angepasst werden. Dadurch wird der Carbonatisierungsgrad erhöht. Bevorzugt wird durch die
Reduktion der Zufuhr einfach die Verweilzeit im Carbonatisierungsreaktor erhöht. Die
Erhöhung der Zuführung des Kohlendioxid-haltigen Gases zum
Carbonatisierungsreaktor umfasst auch eine Erhöhung der Kohlendioxidkonzentration des Gases. Da verschiedene Carbonatisierungsreaktoren verwendet werden können, ist die Anpassung der Betriebspaarmeter abhängig vom Carbonatisierungsreaktor. Ist dieses beispielsweise ein Pflugscharmischer, so kann die Verweilzeit über die Drehzahl beeinflusst werden, ist der Carbonatisierungsreaktor ein Flugstromreaktor, so wird die
Verweilzeit unmittelbar über die Strömungsgeschwindigkeit eingestellt. Bei einem
Überschreiten des Carbonatisierungsgradgrenzwerts wird hingegen die Zufuhr des
Altbaustoffs zum Carbonatisierungsreaktor erhöht und/oder die Zuführung des
Kohlendioxid-haltigen Gases zum Carbonatisierungsreaktor reduziert und/oder die
Aufgabefeinheit verringert wird und/oder Betriebsparameter des
Carbonatisierungsreaktors angepasst werden. Durch die Erhöhung der Zufuhr wird bevorzugt die Verweilzeit im Carbonatisierungsreaktor erhöht.
Wesentlich ist die Kombination zweier sehr unterschiedlicher Analyseverfahren. Zum einen bestimmt die Elementaranalyse ganz unmittelbar die Menge an Calcium und optional auch Magnesium. Damit kann das maximale Potential zur Aufnahme von
Kohlendioxid bestimmt werden. Während die Elementaranalyse theoretisch auch nasschemisch erfolgen kann, sind insbesondere schnelle und automatisierbare
Verfahren bevorzugt, insbesondere die Röntgenfluoreszenzanalyse und die
Neutronenaktivierungsanalyse, da diese Verfahren auch ohne eine weitere Aufbereitung auskommen. Natürlich können auch Atomabsorptions- oder
Atomemissionsspektroskopie, bevorzugt mit einem induktiv gekoppelten Plasma verwendet werden, um die Elementaranalyse durchzuführen. Als zweite und hiervon sehr verschiedene Technik kommt die IR-Spektroskopie zum Einsatz. Diese ist im Bereich der
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Mineralindustrie eher ungewöhnlich, diese ist jedoch besonders geeignet, um den
Carbonatanteil zu bestimmen.
Auf diese Weise wird zum einen über die Elementaranalyse der schwankende Anteil an 5 Erdalkali, insbesondere Calcium ermittelt und damit berücksichtig. Zum anderen kann durch die genauer Erfassung des Carbonatgehalts aus beiden Messungen zusammen der Carbonatisierungsgrad sehr zuverlässig bestimmt werden, was wiederum ermöglicht, diesen mit dem festgelegten Carbonatisierungsgradgrenzwert zu vergleichen und eine
Abweichung hierzu festzustellen. Dadurch kann das gesamte Verfahren insgesamt optimiert betrieben werden und auch Schwankungen insbesondere im Altbaustoff sehr dynamisch eingegangen werden. Dieses ermöglicht die optimale Ausnutzung des
Altbaustoffes als Kohlendioxidspeicher ohne unnötig Energie im Verfahren aufzuwenden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Carbonatisierungsgrad des
Carbonatisierungsprodukts IR-spektroskopisch im Bereich von 1250 bis 1600 cm” (Wellenzahl) und/oder 825 bis 890 cm”! ermittelt. Diese beiden Bereiche haben sich als besonders charakteristisch herausgestellt und die im carbonatisierten Altbeton sich dort zeigende Bande ist praktisch ausschließlich auf Carbonat zurückzuführen, sodass eine
Bestimmung auch in der sehr komplexen Zusammensetzung dadurch sehr einfach
Möglich ist. Besonders bevorzugt wird nur oder auch der Carbonatisierungsgrad des
Carbonatisierungsprodukts IR-spektroskopisch im Bereich von 825 bis 890 cm-1 ermittelt. Diese Bande ist besonders scharf und hebt sich besonders gut von Untergrund ab. 2 In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Elementaranalyse mittels
Röntgenfluoreszenzanalyse durchgeführt. Diese kann, wie alternativ auch die
Neutronenaktivierungsanalyse direkt am Material ohne Aufschluss oder andere
Aufbereitung durchgeführt werden und eignet sich daher besonders für eine
Automatisierung des Verfahrens.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Bestimmung des
Carbonatisierungsgrads des Carbonatisierungsprodukts mittels einer Kalibrierkurve aus den IR-spektroskopischen Daten ermittelt. Hierzu werden zunächst in einem
Kalibrierungsschritt unterschiedliche Carbonatisierungsgrade erzeugt und diese beispielsweise nasschemisch analysiert. So kann dann der Peakhöhe oder der Fläche des Peaks ein Carbonatisierungsgrad über eine Kalibrierkurve in sehr einfacher Weise zugeordnet werden, ohne eine absolute Analyse regelmäßig durchführen zu müssen.
Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Fig. 1 erstes Beispiel
Fig. 2 zweites Beispiel
Fig. 3 Kalibrierkurve
In Fig. 1 ist ein erstes Beispiel für eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Wie aus dem Stand der Technik bekannt wird der Altbaustoff 10 einem Carbonatisierungsreaktor 20 zugeführt. Ebenso wird dem
Carbonatisierungsreaktor 20 ein Kohlendioxid-haltiges Gas 30 zugeführt. Dadurch kommt es zur Recarbonatisierung des Altbaustoffes 10 und das Gas gibt entsprechend
Kohlendioxid ab und wird al Kohlendioxid-armes Gas 40 wieder abgegeben. Das
Carbonatisierungsprodukt 40 wird dem Carbonatisierungsreaktor 20 entnommen. Der
Carbonatisierungsreaktor 20 und damit der Prozess kann beliebig ausgeführt sein, beispielsweise als Slurry-Reaktor, als Wirbelschichtreaktor oder als Flugstromreaktor.
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Wesentlich ist nun, das im gezeigten ersten Beispiel vor dem Carbonatisierungsreaktor 20 mittels einer Elementaranalyse 60 der Erdalkalianteil bestimmt wird und somit die für die Recarbonatisierung zu Verfügung stehende Gesamtmenge ermittelt wird.
Beispielsweise und bevorzugt erfolgt die Elementaranalyse 60 mittels
Réntgenfluoreszenzanalyse. Nach dem Carbonatisierungsreaktor 20 wird mittels eines
IR-Spektrometers 70 der Carbonatisierungsgrad C durch die Erfassung und Auswertung des Peaks im Bereich von 825 bis 890 cm”! ermittelt. Die Daten der Elementaranalyse 60 und des IR-Spektrometers 70 werden zu der Steuereinheit 80 übertragen, die anhand eines vorgegebenen Carbonatisierungsgradgrenzwerts Cmax und des aktuellen
Carbonatisierungsgrades C dann eine Steuerung der Zufuhr des Altbaustoffes 10, der
Zufuhr des Kohlendioxid-haltigen Gases 30 sowie des Carbonatisierungsreaktors vornimmt, um eine Fahrweise möglichst nah am Carbonatisierungsgradgrenzwerts Cmax zu ermöglichen. Durch eine Veränderung der Verweilzeit des Altbaustoffes 10 im
Carbonatisierungsreaktor 20 ist dieses einfach möglich.
Fig. 2 zeigt ein zweites Beispiel, welches sich zum ersten Beispiel durch ein zusätzliches
IR-Spektrometer 70 vor dem Carbonatisierungsreaktor 20 unterscheidet, womit der
Carbonatisierungsgrad C im Altbaustoff ermittelt werden kann. Durch unterschiedliche
Lebensdauer oder auch Materialdicken sind die Carbonatisierungsgrade C im Altbaustoff 10 sehr unterschiedlich. Daher kann diese Information vorteilhaft sein, insbesondere um eine konstante Decarbonatisierung des Kohlendioxid-haltigen Gases 30 sicher zu stellen.
In Fig. 3 ist eine Kalibrierkurve schematisch dargestellt. Es hat sich gezeigt, dass die
Intensität im Bereich von 825 bis 890 cm”! eine gute Linearität zwischen der Intensität des Peaks und dem Carbonatisierungsgrades C aufweist, was über einfache
Kalibrierungsmessungen für jede konkrete Anlage leicht zu ermitteln ist. Dieses gilt auch für den breiteren Peak im Bereich von 1250 bis 1600 cm-, wobei dieser Peak jedoch breiter ist. Der festgelegte Carbonatisierungsgradgrenzwert Cmax Stellt das wirtschaftliche und damit auch ökologische Optimum des Betriebes dar.
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Bezugszeichenliste 10 Altbaustoff 20 Carbonatisierungsreaktor 30 Kohlendioxid-haltiges Gas 40 Kohlendioxid-armes Gas 50 Carbonatisierungsprodukt 60 Elementaranalyse 70 IR-Spektrometer 80 Steuereinheit
C Carbonatisierungsgrad
Cmax Carbonatisierungsgradgrenzwert
Intensität

Claims (5)

240516P00LU 9 LU103414 Ansprüche
1. Verfahren zur Bindung von Kohlendioxid an einen Altbaustoff (10), wobei die Umsetzung in einem Carbonatisierungsreaktor (20) durchgeführt wird, wobei dem Carbonatisierungsreaktor (20) ein Altbaustoff (10) zugeführt wird, wobei dem Carbonatisierungsreaktor (20) ein Kohlendioxid-haltiges Gas (30) zugeführt wird, wobei aus dem Carbonatisierungsreaktor (20) ein Carbonatisierungsprodukt (50) abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Elementaranalyse (60) der Erdalkalianteil des dem Carbonatisierungsreaktor (20) zugeführten Altbaustoffs (10) und/oder des aus dem Carbonatisierungsreaktor (20) abgeführten Carbonatisierungsprodukts (50) bestimmt wird, wobei der Carbonatisierungsgrad (C) des Carbonatisierungsprodukts (50) IR-spektroskopisch bestimmt wird, wobei ein Carbonatisierungsgradgrenzwert (Cmax) festgelegt wird, wobei bei einem Unterschreiten des Carbonatisierungsgradgrenzwerts (Cmax) die Zufuhr des Altbaustoffs (10) zum Carbonatisierungsreaktor (20) reduziert wird und/oder die Zuführung des Kohlendioxid-haltigen Gases (30) zum Carbonatisierungsreaktor (20) erhöht wird und/oder die Aufgabefeinheit erhöht wird und/oder Betriebsparameter des Carbonatisierungsreaktors (20) angepasst werden, wobei bei einem Überschreiten des Carbonatisierungsgradgrenzwerts (Cmax) die Zufuhr des Altbaustoffs (10) zum Carbonatisierungsreaktor (20) erhöht wird und/oder die Zuführung des Kohlendioxid-haltigen Gases (30) zum Carbonatisierungsreaktor (20) reduziert wird und/oder die Aufgabefeinheit verringert wird und/oder Betriebsparameter des Carbonatisierungsreaktors (20) angepasst werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Carbonatisierungsgrad (C) des Carbonatisierungsprodukts (50) IR- spektroskopisch im Bereich von 1250 bis 1600 cm”! und/oder 825 bis 890 cm” ermittelt wird.
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3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Carbonatisierungsgrad (C) des Carbonatisierungsprodukts (50) IR- spektroskopisch im Bereich von 825 bis 890 cm”! ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elementaranalyse (60) mittels Röntgenfluoreszenzanalyse durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Carbonatisierungsgrads (C) des Carbonatisierungsprodukts (50) mittels einer Kalibrierkurve aus den IR- spektroskopischen Daten ermittelt wird.
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