NO773776L - Fremgangsmaate ved fremstilling av hydraulisk sement og sementdannende materialer - Google Patents

Description

•Fremgangsmåte ved fremstilling av hydraulisk sement og sementdannende materialer.

Foreliggende oppfinnelse vedrører fremstilling av hydrauliske sementer. Uttrykket hydraulisk sement brukes her for å betegne komposisjoner som settes til en fast masse ved blanding med en passende vannmengde. Utrykket brukes imidlertid bare i sammenheng med komposisjoner som omfatter komplekser dannet av minst to av CaO, A^O^og SiC^. Slike sementkomposisjoner kan også inneholde kombinert Fe20^, FeO, MgO og andre oksyder.

Foreliggende oppfinnelse vedrører også fremstillingen av lignende komplekser som kan overføres til hydrauliske sementer ved tilsetning av passende mengder av alkaliske aktivatorer uten videre termisk behandling. I mange tilfeller oppnås aktiveringen alene ved blanding med ordinær portlandsement.

Skjønt portlandsement fremstilles i enorme mengder ved å brenne kalkholdig materiale (kalksten, kritt etc.) med alu-miniumsilikatleirer blandet i passende mengder, er det vel kjent at de teoretiske energibehov ved prosessen er temmelig store og den totale termiske effekt ved prosessen bare ligger på størrelsesorden 30 - 50%. Portlandsement brukes langt mer for praktiske formål enn noen annen hydraulisk sement-komposisjon, men det er vel kjent at det er andre mulige komposisjoner i systemet CaO-Si02-Al20^(Fé20^) som har andre

tilfredsstillende sementeringskarakteristika eller vil opptre slik etter blanding med passende mengder av en alkalisk aktivator som CaO eller portlandsement.

En komposisjon som har sementeringskarakteristika etter tilsetning av en aktivator kan betraktes som et hydraulisk sementfortrinn. Det er velkjent å bruke masovnslagg i blanding med ordinær portlandsement som en hydraulisk sement. I

.1

I

I

I kommersiell fremstilling av portlandsement slik den vanligvis utføres blir sementdannende utgangsmaterialer innført i en skrå roterende tørkeovn og røstes ved hjelp av karbonholdig brensel (enten kull blandet med det tilførte materialet eller olje eller gass som innføres via en brenner i ovnens nedre ende). Hovedkostnaden som er forbundet med konstruksjonen av en roterende sementtørkeovn er stor og utnyttelsesgraden av for-brenningsmaterialet er middelmådig.

Ved drift av en roterende sementtørkeovn i fremstillingen av portlandsement oppstår visse forhindringer ved dannelsen av slaggringer på ovnsveggen når forholdet mellom silisiumoksyd/ aluminiumoksyd og jernoksyd synker under ca. 2.2:1.

Det er tidligere beskrevet i britisk patent nr. 1.390.351 en plasmareaktor som innbefatter et plasmagevær som sirkulerer rundt og er skrå i forhold til en vertikal akse og samvirker med en motelektrode, normalt en ringformet motelektrode i reaktorens midtområde, men som kan være en ledende bunn i reaktoren.

En annen form for plasmareaktor innbefatter ett eller flere plasmagevær som kretser rundt en vertikal akse og er skrå mot rotasjonsaksen som er beskrevet i US-patent nr. 3.936.586.

I denne plasmareaktoren blir plasmageværet eller geværene rettet innover mot aksen og mot en motstående del av en ringformet motelektrode.

I en plasmareaktor som opererer på dette prinsippet resulterer plasmageværets kretsende bevegelse og dets helling mot beve-gelsesaksen i dannelsen av en plasmastråle som følger latus rectum av en kjegle. Når geværets omdreiningshastighet er på størrelsesorden 1000 omdreininger/min. er det statistisk umulig for mer enn en fullstendig minimal andel av de små faste partiklene som faller under gravitasjon å passere gjennom plasmastrålens bane uten å få enten høy energi ved ioner, elektroner eller andre sterkt ladede plasmapartikler eller ved kollisjon med slike energirike partikler. Følgelig til-fører den energirike plasmastrålen energi til stoff som be-

I

i finner seg i et utvidet område i forhold til den primære plasmastrålens bane og plasmaetsinnflytelsesregiori er blitt utvidet. Uttrykket "ekspandert presessivt plasma" er konstruert for å beskrive denne virkningen.

I oppfinnelsens bredeste betydning kan en hydraulisk sement eller et hydraulisk sementfortrinn fremstilles ved å føre et materiale med passende kjemisk sammensetning og i egnet partik-kelform gjennom en plasmasone i en plasmareaktor av ovenfor beskrevne type eller generelt således konstruert at plasmaet holdes innen et utstrakt rom i en plasmareaktor. Eksponeringen av en mineralblanding med riktig sammensetning for meget sterke energibetingelser av plasmaet resulterer i minst en overflate-transformasjon av materialet til en aktiv glassaktig eller krystallinsk tilstand eller fullstendig overføring av partiklene i en hydraulisk sement eller et hydraulisk sémentfortrinn hvor de er tilstrekkelig finfordelte.

Da den termiske behandlingen av tilførselsmaterialet i fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan finne sted mens partiklene er i flukt synes dannelsen av harde avsetninger som slagg-skorper i en roterende ovn usannsynlig å føre til operasjons-vanskeligheter, og derfor underkastes sementfremstillingen ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen ikke en påtvungen stigning fra silisiumoksyd/aluminiumoksyd + jernoksyd (S/R^ forhold)

av tilførselsmaterialet, men bare den tvang at det brente materialet skal ha sementeringskarakteristika, enten alene eller etter blanding med en aktivator .

Det er tidligere foreslått av F.P. Glasser i Cement and Concrete Research (1975), bind 5. sidene 55 - 61, å fremstille portlandsement i en plasmaovn ved anvendelse av stasjonære plasma-blåselamper plassert i lokket på et roterende ovnslegeme med snudd kjegleform. Fødematerialet ble tilført gjennom et ak-sialt rør i dekslet. Fra beskrivelsen fremgår det at tilførselsmaterialet ble kastet mot veggene i det roterende legemet uten effektiv kontakt med plasma under flukten. Plasmaet virket på en tynn film av smeltet materiale på veggene i det roterende ovnslegeme med det resultat at energitapene gjennom j reaktorveggen var meget høye<p>g energibehovene ved frem- j stillingen av sement var angitt å være ca. 10 ganger det som trengtes ved konvensjonelle sementtørkeovner. Videre var slaggproduktet som stammet fra dette plasmaet enten grovt og krevde ytterligere energi for maling eller inneholdt store mengder glassfaser. De rapporterte resultater var så ufordel-aktige for bruk av plasma at det syntes totalt umulig å over-hode bruke en plasmaovn ved sementfremstilling.

Det er nå funnet at når pulverisert sementtilførselsmateriale går gjennom en sone hvori plasmaet som stammer fra en plasma-blåselampe er tilstede som beveger seg rundt og skrått mot sonens akse, kan tilførselsmaterialpartiklene fullstendig over-føres til sement eller et sementfortrinn i flukten uten å sam-mensmeltes til grovere partikler og uten dannelse av særlig glassfase. Det ble mulig å oppnå fremstilling av ordinær portlandsement i en liten skalaplasmareaktor av denne type med energiforbruk som bare var litt større enn i en fullstendig utviklet stor skala roterende tørkeovn, slik at fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen vises å gi portlandsement med like eller lavere energiforbruk enn en konvensjonell roterende sementtørkeovn når plasmareaktoren forstørres til full kommersiell størrelse.

Fremstillingen av sement ved å brenne normal portlandsement-tilførsel utgjør et aspekt ved oppfinnelsen.

Avskaffelsen av bremsingen som stammer fra S/R-forholdet ved opereringen av en roterende sementtørkeovn muliggjør bruk av ikke-tradisjonelle materialer ved fremstillingen av sementer og sementfortrinn ved anvendelsen av fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse.

Det er både i United Kingdom og i mange andre deler av verden allerede akkumulert enorme mengder karbonholdige materialer som har en lav kaloriverdi og som enten betraktes som avfalls-materialer (kullgruveavfall) eller som uøkonomiske for å opp-arbeide karbon eller hydrokarboner (oljeskifer og oljesand).

Det er et formål ved foreliggende oppfinnelse å overføre kar- i bonholdige materialer av denne type til hydrauliske sementer, enten direkte eller ved å fremstille sementfortrinn som kan overføres til hydrauliske sementer under egnede tilsetninger av aktivatorer. I begge behandlingstyper er det forutsett at ytterligere mineralske substanser kan måtte blandes med karbonholdig materiale før behandling i en plasmasone for å gi en riktig endelig kjemisk sammensetning av produktet.

Avfallshaugene fra kullgruvene representerer enorme material-forhold med en betydelig kaloriverdi som tidligere eksisterende teknikk sjelden har vært i stand til å utnytte; Kullgruveav-fallshauger er uønsket fra et miljøstandpunkt og overføringen av dem til nyttige produkter (samtidig med fjerningen) må være velkommen.

Forbrenningsverdien til karboninnholdet i kullgruveavfall er sjelden mindre enn 800KJ/kg og i mange tilfeller opptil 10000 KJ/kg. Selv med den siste mengden har det ikke alltid vært funnet økonomisk praktisk å anvende det tilstedeværende varmeinnhold. Da det teoretiske varmebehovet for fremstillingen av portlandsement fra konvensjonelle materialer er av størrelsesorden 1700 KJ/kg, er det tydelig at varmebehovene'for fremstillingen aven hydraulisk sement kan helt eller delvis tilfredsstilles ved kaloriverdien til kullgruveavfallene og i hvert fall kan varmeverdien av kullgruavfallet gi ytterligere utnyttbar varmeenergi når egnede prosesser blir utviklet for forbrenningen av karbon (inklusive hydrokarbon) innholdet av kullgruveavfallet.

Et aspekt ved foreliggende oppfinnelse omfatter føringen av kullgruveavfall eller annet materiale med et karboninnhold med varmeverdi på minst 800 KJ/kg gjennom plasmasonen i en reaktorer av den allerede omtalte type.

Når kullgruveavfall eller annet karbonholdig materiale (enten alene eller i blanding med andre substanser) utsettes for.ener-gioverføringsbetingelser i plasmasonen, er det åpenbart en ten-dens til at hydrokarboninnholdet reagerer med nesten eksplosiv j i ! ,| styrke slik at det karbonholdige materialet gjennomgår noe opp-j deling og karboninnholdet (inklusiv hydrokarboninnholdet) ad-skilles fra det uorganiske innholdet øyeblikkelig. Dette mulig-gjør vekkbrenning av karboninnholdet i materialet,hvilket over-fører avfallsmaterialet til en hydraulisk sement eller sementfortrinn forutsatt at den kjemiske sammensetningen av tilførselsmaterialet er riktig for formålet. Undersøkelse av produktet viser at det er i det vesentlige fritt for fritt karbon.

Ved en form av oppfinnelsen tilføres de sementdannende tilfør-selsmaterialene i en jevn strøm på et sted i plasmageværets område ved reaktorens øvre ende og faller gjennom plasmasonen som består mellom plasmageværet og en. ring dannet av motelektroden og gjennom haleflammeområdet som ligger under motelektroden. Dette fører karboninnholdet i tilførselspartiklene til en meget aktiv tilstand slik at minst en del av karboninnholdet meget raskt overføres til CO når partiklene bringes i kontakt med en luftstrøm (eller oksygen) etter å ha forlatt plasmasonen. Luftstrømmen som er særlig anriket med CO og hydrogen og inneholder faste partikler kan så innføres i en forbrennings-sone og resten av karboninnholdet og det allerede utviklede CO og hydrogen i det minste delvis oksyderes til CO2. Forbren-ningssonen danner fortrinnsvis en del av et avfallsvarmekoke-system slik at den således frigjorte varmeenergi gjenvinnes ogbrukes på en hensiktsmessig måte. Den kan godt anvendes for fremstilling av elektrisk energi for plasmareaktoren. Det omsatte faste materialet utvinnes fra gasstrømmen som en aske i avfallsvarmekokeren. En kjent apparatur såscm en syklonsepa-rator anvendes for oppsamling av fine faste stoffer fra avfalls-gassene.

I en annen form av oppfinnelsen hvor" motelektroden består av reaktorbunnen får tilførselsmaterialet som faller gjennom plasmasonen samles som en dam av i det minste delvis smeltet slagg på reaktorbunnen. Ved de benyttede operasjonstempera-turer er det smeltede slagget tilstrekkelig ledende. Hvor ut-gangsmaterialet har et høyt jern (jernoksyd) innhold (som ofte ér tilfelle hos kullgruveavfall), kan karboninnholdet i avfallet anvendes for å bevirke reduksjon av i det minste en del j jav jernoksydet og følgelig samles metallisk jern på reaktorens bunn og tappes periodisk ut. I dette systemet kan også det utviklede CO brennes i en avfallsvarmekoker eller annen form for varmeoppsamler.

Det smeltede slagget tappes periodisk ut fra reaktorbunnen og kan, avhengig av innholdet av resterende karbon, utsettes for en luftstrøm i et separat kammer for å brenne ut eventuell kullrest. Det smeltede slagget kjøles så og knuses.

I begge de ovenfor beskrevne former av oppfinnelsen knuses

det karbonholdige materialet som føres til plasmasonen (i lik-het med materialene som tilføres en konvensjonell sementtørke-ovn) . Det er åpenbart unødvendig å anvende eksepsjonelt fin maling og det er funnet å være ganske tilfredsstillende å male materialet slik at det kan gå gjennom en 300 mikron åpning mesh. Faktisk kan en noe grovere partikkelstørrelse anvendes tilfredsstillende i mange tilfeller.

Hvor kullgruveavfall eller andre karbonholdige materialer må blandes med andre materialer som kalkstein eller silisiumoksyd og/eller aluminiumoksydholdige materialer før innføring i plasmareaktoren er anvendelse av kjente våte eller tørre metoder som vanlig anvendes i sementindustrien tilfredsstillende.

Det er imidlertid funnet at i mange tilfeller er den kjemiske sammensetningen av ikke-karboninneholdene fra kullgruveavfallet slik at etter utbrenning av karbonholdig materiale er det resulterende materialet egnet for blanding i større andeler med ordinær portlandsement (enten fremstilt ifølge foreliggende oppfinnelse eller i en konvensjonell roterende tørkeovn). Således er fra publisert litteratur vedrørende kullgruveavfall i United Kingdom (hvilket antas å være typisk for kullgruveavfall i det minste på den nordlige halvkule) 5102^120^- og Fe^ O^- og FeO-forholdet i området rundt 1,8 - 2,0/1 og medføl-gende kaloriverdier i området 1500 - 10000 KJ/kg. I alle tilfeller synes innholdet av CaO og MgO å ligge i området 2,5 4,0% av asken som oppstår ved fullstendig brenning av kullgruve-avf all. I mange tilfeller er det foretrukket å blande inn over

i 10% CaO (som pulverisert kritt) før brenningen av. pulverisert I

! kullgruveavfall i en plasmareaktor.

Skjønt oppfinnelsen hovedsakelig befatter seg med bruken av materialer med realtivt lave kaloriverdier opptil 10000 KJ/kg kan i noen tilfeller materialer med høye kaloriverdier som kull og hydrokarbonavfallsoljer eller andre organiske avfallsproduk-ter innlemmes i materiale som tilføres plasmaet.

I den videre omtale av oppfinnelsen refereres til vedlagte teg-ninger hvori: Fig. 1 er et skjematisk vertikalt snitt av en form av .apparaturen for forbrenning av pulvermateriale i kullgruveavfall,

fig. 2 er et skjematisk vertikalt snitt av en annen form for apparatur,

fig. 3 er et flow-sheet som viser fremstillingen av portlandsement fra kullgruveavfall og kalkholdig materiale som kalkstein,

fig. 4 er et flow-sheet som viser fremstillingen av puzzolan-slaggtypemateriale,

fig. 5 eret flow-sheet som illustrerer fremstillingen av ordinær portlandsement og aggregater ved parallelle plasmareaktorer som benytter kullgruveavfall som råmateriale,

fig. 6 er et røntgen-diffraksjonsdiagram av en normal port-landsémenttilførsel (kalkstein og leire) etter å ha passert gjennom en plasmareaktor ifølge fig. 1 som viser den for-treffelige utviklingen av sementbestanddelene,

fig. 7 er et røntgendiffraksjonsdiagram av en 1:1 blanding av kullgruveavfall og kalkstein etter å ha gått gjennom plasmareaktoren i systemet ifølge fig. 4 som viser utvikling av sterkt glassaktige faser,

fig. 8 er et lignende diagram for et plasmabehandlet kullgruve-. avfall og

I I I

fig. 9 er et CaO-Si02-Al203-ternær-fasediagram.

I portlandsementindustrien er det velkjent at sementeringsvirk-ningen i stor grad skyldes nærvær av krystallinske hydratiser-bare faser som normalt refereres til og har den tilnærmede sammensetning som nedenunder vist:

Denne terminologien vil brukes i det følgende for letthets skyld i omtalen av operasjonen av den illustrerte apparatur. Det refereres også i XRD-diagrammet i fig. 6 til Alitt og Belitt. Disse er velkjente faser i sementteknologien, men deres nøyaktige sammensetning er aldri blitt fastslått. Det antas at de respektive har et større innhold av C^S og C^S.

I fig. 1 er det vist en reaktor for fremstilling av puzzolan og sementmaterialer under flukt gjennom en utvidet presessiv plasmasone. Plasmareaktoren omfatter et lukket kammer som er avgrenset ved termisk isolering med et skall 1. På top-pen av skallet er det anbrakt et stativ 2 som holder en væskemotor 3 som er forbundet ved et krankdrev 4 til et plasmagevær 5 som holdes av et kuleledd i en bunndel 6 av stativet 2. Omdreining av motoren 3 tjener således til å bevege den nedre enden av plasmageværet 5 rundt reaktorens loddrette akse. Under denne bevegelsen er plasmageværets lengdeakse skrå mot reaktorens akse og det er ingen rotasjon av plasmageværet • rundt dets akse slik at forbindelsen av hosene (ikke vist) for gassforsyningen og kjølingen til plasmageværet og den elektriske tilførselskabelen 7 for plasmageværet ikke forår-saker noen problemer. Plasmageværet er rettet mot en ringformet karbonmotelektrode 9. En kraftkilde er forbundet mellom plasmageværet 5 og motelektroden 9. En rekke inntaks-åpninger 8, normalt 6 eller 12 i antall, omgir plasmageværet 5 og tilføres pulverisert tilførselsmateriale fra et for-syningskammer, idet tilførselsmaterialet samtidig blåses mot i . reaktoraksene under gas s trykk "'som kan være lufttrykk.

'I sitt fall gjennom reaksjonskammeret får tilførselsmaterial-partiklene en horisontal hastighet p.g.a. den sirkulært presesserende bevegelsen til plasmaet i pilen A's retning,og dette fører til en partikkelsky i området rundt plasmakolonnen l's øvre del som virker som et stråleskjold mellom plasmaet og varmeisolasjonen.

Når de tilførte partiklene går gjennom motelektroden 9 og fjerner seg fra den karakteristiske plasmahaleflammeregionen som stikker under motelektroden, blandes de meget kraftig med luft som innblåses via kanaler 10 (bare to vist),, og det fordampede hydrokarboninnholdet og det sterkt oppvarmede karbonet fra kullgruveavfallene eller andre karbonholdige komponenter i tilførselsmaterialet oksyderes da raskt i det nedadstikkende forbrenningskammer 11. Det avkarboniserte materialet faller som partikler til oppsamling i bunnregionen 12 hvorfra det fjernes ved en ristkjøler som er skjematisk angitt med 14.

Dette fjerner de varme partiklene for kjøling på kjent måte.

De varme gassene som formodentlig har et vesentlig varmeinnhold og et vesentlig innhold av ubrent CO og kanskje hydrogen fjernes via gassutløpsrørene 15 (bare ett vist) og føres til et varmegjenvinningstrinn, som vanligvis inneholder en spillvarmekoker som kan omgi forbrenningskammeret 11.

Et betydelig innhold av meget fine faste partikler (eller muligens væskedråper) meddrives av utløpsgassene 15 og disse kan separeres, fortrinnsvis etter forbrenning av sitt CO-innhold, i hvilken som helst kjent støvoppsamler.

Kjølingen av produktpartiklene som oppsamles ved 12 kan ut-føres på forskjellige måter, avhengig av produktets natur.

Hvis produktet således er sementaktig kan det oppsamles tørt, mens hvis det er puzzolanisk kan en våtoppsamling (i vann)

også utføres. I ethvert tilfelle er det mulig å justere reaktorens operasjonsparametere, dvs. tilførselshastigheten, elektrisk energi og preses.sjonshastigheten til plasmageværet

! slik at et fint sintret produkt oppnås med minimale mengder | av store sammensmeltede klumper. De siste kan, hvis de foreligger, lett granuleres ved hver av de kjente metoder. Det viste system anbringes slik at skjønt en reduserende atmosfære dominerer i regionen ovenfor og umiddelbart under motelektroden 9, vil innblåsingen av luften ved 10 og videre åpninger ned-strøms, om nødvendig, (ikke vist) forårsake at karboninnholdet fullstendig brennes og kombinerer alt tilstedeværende jern i dé ønskede faser som C^AF o.l.. Således er systemet som er vist i fig. 1 ikke egnet for separasjon av jern som metallisk jern.

I reaktoren ifølge fig. 2 er de samme henvisningstall benyttet for å betegne de samme deler som i fig. 1. I denne reaktoren består imidlertid motelektroden av karbonbunn .19 som også tjener som oppsamlingsbeholder for det smeltede produkt. I dette tilfellet utføres operasjonen under milde reduksjonsbetingelser for fjerning av jern fra tilførselsmaterialet ved reduksjon

av jernoksydinnholdet i tilførselsmaterialet. Det fremstilte metalliske jern danner et separat sjikt 20 i bunnen og kan separeres fra slaggsjiktet 21.

I denne reaktoren kan milde oksydasjonsbetingelser oppretthol-des om ønsket inntil karbonbunnen 19 er dekket av smeltet materiale. Imidlertid, ligger hovedanvendelsen av denne reaktoren i operasjon under reduksjonsbetingelser som vil mulig-gjøre oppsamling av smeltet metall. Produktene (metall 20

og slagg 21) kan tappes gjennom tapphullehe 22 og 23 eller hele reaktoren kan vippes for å helle ut det smeltede materialet i bunnen. Hvis reaktoren kan vippes, tømmes den periodisk ved først å helle av slagget og så oppsamle metallet via gassutløpsrøret 24. Når det smeltede slagget helles, kan det dertil oksyderes ved hjelp av en luftstrøm under granu-leringsprosessene.

I tillegg til gassutløpsåpningen vil den illustrerte reaktor fortrinnsvis være utstyrt med ett eller flere luftinntaks-åpninger som gir milde oksydasjonsbetingelser i sonen umiddelbart over det smeltede slaggsjiktet 21.

! Det vil selvfølgelig fremgå at reaktorene ifølge fig. 1 og 2 I kan varieres i stor utstrekning i praksis, men det er essensielt at energioverføringsbetingeisene som er knyttet til plas-maets nærvær må holdes i en betraktelig sone i det sentrale kammer av apparaturen. Skjønt det ikke er essensielt i reaktoren ifølge fig.. 2 at tilf ørselsmaterialet må bringes i kontakt med ekspandert preses, ser ende plasma under flukt, er det dog sterkt foretrukket at dette oppnås.

Fig. 3 angir skjematisk et system for fremstilling av hydraulisk sement hvori en relativt stor andel kalkstein foreligger i tilførselsmaterialet som f.eks. i tilfellet ved ordinær portlandsement.- Kullgruveavfall 31 og brutt kalkstein 32 knuses i knuserene 33 og 34 og lagres i siloer 35 henholdsvis 3 6 og føres sammen i blander 37. Det blandede råmaterialet tørkes med gassene som resirkuleres via ledningen 44 og males videre

(skjønt en lavere finhetsgrad kreves som regel enn den som spesifiseres i en ortodoks prosess) i en tørker-maler 38. Der en våtprosess eller halvtørr prosess må anvendes for å blande kullgruveavfall og kalkstein kan en sprutetørker 38a anvendes i stedet for tørker-maler 38. Det blandede og knuste råmaterialet overføres til siloen 39, hvorfra det føres og blandes med varm luft i ledningen 43 før det kommer inn i forvarmersyklonen 40. Varmluft i ledning 4 3 stammer fra en produktgranulator 42. Forvarmet, luftinnblandet råmateriale kommer inn i en plasmareaktor 41 hvor det kan fordeles som vist i enten fig. 1 eller fig. 2 gjennom flere og sirkulært anbrakte rør (ikke. vist) hvilket gir et sylindrisk fortrinn av partikler som faller ned på den øvre delen av det utstrakte, presesserende plasma. Produktene fra reaktoren 1 kommer inn i en granulator 42, hvor de granuleres ved hjelp av en kald luftstrøm via røret 53 og overføres til et endelig maletrinn 51, hvor tilsetning av aktivatorer eller andre modifikasjons-midler kan utføres. Til slutt overføres produktet til produkt-silo 52. De varme utblåsningsgassene som forlater reaktoren 1, via røret 46 kan anvendes på mange forskjellige måter, hvor-av en ligger i bruken av en spillvarmekoker 4 7 som er koblet til en elektrisk generator 48. Den genererte elektrisiteten

i på denne måten, avhengig av kaloriverdien til kullgruveavfal- i i

I ! let, kan være tilstrekkelig for plasmareaktoren 41, mens eksose;<n>20 fra spillvarmekokeren kan føres vekk via ledningen 50 for videre anvendelse ved hjelp av operasjoner. Den optimale utnyttelsen av den viktigste varme eksosen vil avhenge av mange fak-torer, der de viktigste er: karboninnholdet i gruveavfallet eller annen anvendt karbonkilde og typen av dannet produkt, dvs. inneholde store eller små mengder av kalkholdig stoff. Fig. 4 viser på en forenklet skjematisk måte ennå et.annet aspekt av oppfinnelsen, nemlig fremstillingen av et plasmareaktorslagg. Like mengder av gruveavfall og kalkstein (til sammen 2,8 tonn) innføres i en tørker/knuser 61 som tilføres varmluft via ledningen 67 fra kjøleren 65.. Det knuste og tørkede tilførselsmaterialet føres til en plasmareaktor 62, generelt av den type som er illustrert i fig. 1. Luft for forbrenning av karbon og hydrogen innføres via ledningen 63 under kontroll av oksydasjonspotensialet for produktene. Varmeoverskuddet som stammer fra forbrenningen av det karbonholdige innhold i kull-gruveavf allet f øres til spillvarmekokeren 64 og det resulterende plasmareaktorslagget til kjøleren 65. Det erholdte slagget (2 tonn) i dette eksemplet kan vannkjøles da det ikke er sementerende i seg selv, men krever tilsetning av en kjent aktivator. Den gjenvunne energi fra spillvarmekokeren 64 omformes til elektrisk energi i energiomformer 66 og benyttes for drif-ten av plasmareaktoren 42. Masse og energibalanser indikerer at f.eks. med et 20% kullinnhold i kullgruveavfall og overfø-ring til elektrisitet ikke høyere enn 30%, er det mulig å fremstille et stort spektrum av plasmareaktorslagg som dekker hele det elektriske energibehovet til reaktoren ved å anvende det forbrennbare innholdet av avfallet. Fig. 5 illustrerer en annen plan for anvendelsen av kaloriinn-holdet i kullgruveavfallet ved fremstillingen av nyttige produkter. I skjemaet i fig. 5 er hovedanvendelsen av kullgruveavfallet fremstillingen av relativt grove aggregater ved hjelp av en ekspandert presesserende plasmareaktor og utnyttelsen av energioverskuddet som frigjøres i aggregatfremstillingen for å drive en plasmareaktor som fremstiller ordinær portlandsement under hovedsakelig endoterme betingelser fra en 1:4 blanding av avfall og kalkstein. I dette systemet er hovedanvendel- i sen av kullgruveavfall produksjonen av sammensmeltede aggregater som det er et utstrakt og økende behov for på mange områder.

I skjemaet i fig. 5 brukes de to plasmareaktorer 7 3 og 7 8 parallelt. Reaktoren 73 forsynes med 0,4 tonn kullgruveavfall og 1,6 tonn kalkstein som er knust og tørket i en tørker/knuser 71 ved hjelp av varmlufttilførsel fra produktkjøleren 75. Eksosgassene fra plasmareaktoren 73 anvendes i spillvarmekokeren 74, mens produktet luftkjøles i kjøleren 75 og gir 1 tonn portlandsement. Plasmareaktoren 78 forsynes med 6 tonn kullgruveavfall grovt knust og siktet til en partikkelstørrelse 1-20 mm og tørket i en tørker/knuser 77 ved hjelp av varme gasser fra aggregatproduktkjøler 80 som føres gjennom ledningen 82. Det store varmeoverskudd som oppstår fra avkarboniseringen av kullinnholdet i kullgruveavfall med egnet kaloriverdi anvendes i spillvarmekokeren 79, føres gjennom linjen 81 til energiomdanneren 83/ som skjematisk vist forbundet ved 84 og 85 for å føre energibehovene til plasmareaktorene 73 og 78.

Dimensjonen av forbindelsene vist ved 76, 81, 84, 85 er

ment å- skjematisk vise fordelingen av energi som stammer fra kullgruveavfall og gjenvinnes ved energiomformeren 83.

Den virkelige varmemengde som stammer fra kullgruveavfelJet vil variere med størrelsene av de grove partiklene som tilføres plasmaet. I de fleste tilfeller vil partiklene bare avkarboni-seres i et overflatesjikt, hvilket levner de behandlede partiklene med et overflatesjikt av glassaktig, puzzolansk materiale, mens partiklenes kjerne kan være fullstendig uendret. Dette utgjør et viktig trekk ved oppfinnelsen og den glassaktige overflaten til disse relativt lette aggregatpartiklene bør betraktes som sement.

Det må bemerkes at dette glassaktige overflatesjiktet hovedsakelig er et fortrinn som er fritt for karbon slik at det er i en tilstand som kan aktiveres til en sementerende tilstand ved ' kontakt med alkaliskesementkomponenter i'en betongdannende , . t

I

blanding.

Ifølge kaloriverdien i det karbonholdige innholdet i kullgruveavfallet er det mulig å innstille produktforholdet (aggregat

og sement eller sementfortrinn) på en slik måte at overskuddet av termisk energi som stammer fra det behandlede materialet i plasmareaktorene 73 og 78 fra kullgruveavfallet er tilstrekkelig til å gi den nødvendige elektriske energi for å drive reaktorene. Skjønt muligheten for å tilveiebringe all den nødvendige elektrisitet ved prosessen eksisterer, er det ikke alltid nødvendig eller overhodet praktisk eller økonomisk å bruke den.

GenereJ-t uttrykt . tilveiebringer oppfinnelsen en fremgangsmåte og et apparat for fremstilling av fire adskilte produktgrupper som er oppført etter økende energibehov: (1) Aggregater - disse krever ganske enkelt utvikling av tilstrekkelig styrke ved egnet sammensmelting under utviklingen av glassfasen. I mange tilfeller vil et passe tykt . overflatesjikt av slikt glass dannet under passasje gjennom plasma være tilstrekkelig. De trenger ikke inneholde noe kalk og krever derfor lite energi. (2) Puzzolanisk PFA ( pulverisert brenselaske) type legemer hvilke som regel bare inneholder en liten mengde CaO (1 - 15%) i produktet og derfor krever liten energimengde for å overføre det opprinnelige CaCO^-innhold av kalkstein eller kritt til CaO trinnet. Disse legemene består normalt hovedsakelig av aluminiumsilikater og noen jernsilikater, men kan også omfatte bare silisiumoksyd, f.eks. sand med en liten mengde jerndk-syd. Kalkholdig stoff kan tilsettes eller kan allerede være tilstede i tilstrekkelig mengde. Produktene er glassaktige av struktur. (3) Puzzolanisk slaggtypelegemer. Disse er også glassaktige,

og gpde puzzolaniske egenskaper er alltid forbundet med den glassaktige struktur (dette gjelder også puzzolanisk PFA) og

i

I

krystallstruktur gir ikke puzz■ olaniske egenskaper. Slaggtypelegemer krever generelt mer CaO i produktet (25 - 4 5%) og derfor krever dannelsen derav mer energi for å overføre CaCO^til CaO enn det kreves for fremstillingen av puzzolanisk PFA. (4) Portlandsementlegemer. Disse legemer er sementaktige i seg selv og alle deres sementaktige komponenter er krystallinske. Den fullstendige dannelse derav er meget mer endoterm p.g.a. det store CaO-behovet som er omtrent 6o-70% CaO i "produktet.

Det skal nevnes at fremstillingen av sementaktige legemer med CaO-innhold i produktet på 50 - 60% er uøkonomisk fordi noen av fasene som vil dannes fra slike komposisjoner ikke er sementaktige. I det forenklete ternærdiagrammet CaO-SiO^A^O-j ut-vider foreliggende oppfinnelse teknikken for fremstilling av puzzolaniske og sementaktige legemer i langt større grad enn gjennomførlig med konvensjonelle roterende tørkeovner. Be-grensningene av ortodoks teknologi ligger i at roterende tørkeovner ikke er i stand til å behandle tilførsler med et meget høyt eller meget lavt silisiumoksydforhold. Silisium-SiO

oksydf orholdet er definert som ———p— . Da forelig-2 3 2 3

gende oppfinnelse behandler tilførselen under flukt, over-vinnes disse begrensninger.

Fig. 6 viser røntgendiffraksjonsspekteret ved behandling av en konvensjonell kalkstein/leiretilførsel for portlandsement-fremstilling i en ekspandert presesserende ; plasmareaktor. Fig.

6 viser utviklingen av sterkt krystallinske faser med alle de

nødvendige komponenter for sementaktig opptreden som er typisk for portlandsement og bare en meget liten rest ikke-kombinert kalkinnhold. Fig. 7 viser på den annen side det sterkt glassaktige innholdet i det dannede puzzolaniske slagget fra plasmabehandlingen av kullgruveavfall og kalkstein med bare ubetydelige topper for krystallinsk a-kvarts. Dette er som ønsket for et puzzolanisk slagg for blanding med portlandsement eller annen aktivator. Fig. 8 viser glass-faseutviklingen som følger av plasmabehandlingen av rent kullgruveavfall med de karakteristiske topper som skyldes mullitt

l

•; og a-kvarts .<!>

Alle de tre ovennevnte røntgendiffraksjonsspektere ble oppnådd ved å behandle de respektive utgangsmaterialer under flukt.

Sammensetningen av tilførselen og produktet fra fig. 8 og 7

er angitt i den følgende tabell:

Den følgende tabell viser resultatene som erholdes når produktet B i fig. 7 og produktet A i fig. 8 blandes med vanlig portlandsement i de angitte andeler og sammenlignes med de egenskaper som oppnås når konvensjonelle masovnsslagg og konvensjonelt puzzolanisk PFA tilsettes i samme andeler. Behandlingen av utgangsmaterialene i ekspanderte presesserende materialer kan anvendes i sementindustrien på mange forskjellige måter. Særlig tilveiebringer anvendelsen av kullgruveavfall og andre karbonholdige materialer med lav kaloriverdi en mulighet for å bruke et større spektrum av utgangsmaterialer som tidligere bare ble betraktet som avfall eller forholdsvis unyttige. Plasma^-reaktoren kan brukes som en erstatning for en konvensjonell roterende tørkeovn og p.g.a. den lille størrelsen kan den in^-stalleres der en eksisterende tørkeovn krever erstatning.

I et annet alternativ kan avgassene fra en plasmareaktor som fremstiller puzzolanisk materiale og med en høy kaloriverdirest føres til og brennes i et konvensjonelt roterende tørkeovn-system.

Fig. 9 viser sammensetningen av sementaktige materialer og puzzolaniske materialer som kan fremstilles ifølge foreliggende

oppfinnelse. I denne figuren viser området A den foretrukne og

v typiske sammensetning av en portlandsementtype. Det omgivende område B viser sammensetningene av sementmaterialene som kan fremstilles ved foreliggende oppfinnelse. Noen sementmateria-

ler som faller innenfor dette området kan ikke fremstilles i en konvensjonelt roterende sementtørkeovn fordi silisiumoksyd/ aluminåumoksyd-forholdet ville føre til dannelse av skorper på I

ovnsveggene. i Området C viser sammensetningen av foretrukne puzzolaniske materialer mens det omgivende området D viser andre anvendelige puzzolaniske materialer som kan lages ved bruk av ekspandert presesserende plasma ifølge foreliggende oppfinnelse.

Området E viser sammensetningen av aluminiumoksydrike sementer som kan fremstilles ved bruk av oppfinnelsen.

Det er tydelig at i dette diagrammet er andre komponenter enn CaO, Si02og Al-^O^ sett bort fra. Imidlertid, kan det i praktiske sementkomposisjoner foreligge opptil 6% MgO,' 6% jernoksyder og opptil 10% andre (Ti02, MnO etc.).

Imidlertid er minimum-CaO-innholdet for dannelsen av hydrauliske portlandsementtypematerialer 58% CaO og maksimum er 7 2% og for puzzolaniske materialer er maksimum-CaO-innholdet 55%.

Det er gjort forsøk på å utnytte lavgradbrensel i sementfremstilling, men slike forsøk har vist begrenset bruk derav p.g.a. problemene med askekontaminasjon i sementklinkeren. Gjenvin-ningen av termisk energi i plasmareaktoren løser dette pro-blemet. Avgassene fra reaktoren føres helst til glimtkalsi-neringen hvori sementtilf ør selskalksteinen kalsineres til CaO

før den går inn i den roterende sementtørkeovnen.

Som allerede angitt kan fremgangsmåten også anvendes for å fremstille sement og sementutgangsmaterialer fra tilførsels-materialer med et høyt jerninnhold og er fordelaktig ved fremstilling av anvendelig metall som biprodukt, samt fjerne uønsket jern eller jernoksyd fra produktet.

Claims (12)

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av hydraulisk sement og sementfortrinn som omfatter tilførsel av finknust materiale til en ekspandert presesserende plasmasone i en plasmareaktor av den type hvori minst ett plasmagevær sirkulerer rundt en vertikal akse og er rettet skrått til nevnte vertikale rotasjonsakse mot en motstående motelektrode, hvorved nevnte finknuste materiale får falle gjennom plasmasonen og materialet som kommer fra nevnte plasmasone oppsamles, karakterisert ved at dette materialet har et betydelig innhold av silisiumoksyd eller aluminiumoksyd etter fullstendig kalsinering og har et forhold CaO: si°2 : A12 °3 SOm er an9;'-'tt vec^ ^e skra- verte områder i fig. 9 og har et CaO innhold på mindre enn 55% eller i området 58 - 72%, og dette materialet i kalsinert tilstand inneholder opptil 6% MgO, opptil 6% jernoksyder og opptil 10% andre materialer.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at dette finknuste materialet innbefatter en vesentlig andel eller fullstendig består av et naturlig forekommende mineralsk materiale med et karboninnhold med et utnyttbart varmepotensial.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at dette naturlig forekommende mineralet er kullgruve-avf all som stammer fra kullminedrift.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at dette naturlig forekommende materialet er oljeskifer eller oljesand.

5. Fremgangsmåte ifølge hvert av kravene 1-4, karakterisert ved at andelen av kull, hydrokarbonavfalls-olje eller andre organiske avfallsamterialer foreligger i det finknuste materialet. I I

6. Fremgangsmåte ifølge kravene 2-5, karakteri-j sert ved at det finknuste materialet bringes i kontakt med en strøm av oksygenholdig gass mens det ennå foreligger i finfordelt form etter å ha forlatt plasmasonen.

7. Fremgangsmåte ifølge kravene 2-6, karakterisert ved at det finknuste materialet samles i en dam av smeltet slagg på bunnen av reaktoren og at slagget bringes i kontakt med oksygenholdig gass etter å ha forlatt reaktoren.

8. Fremgangsmåte ifølge hvert av kravene 2-7, karakterisert ved at gassutslippene fra kontakten med det plasmabehandlede materialet videre bringes i kontakt med oksygenholdig gass for gjenvinning av varmeverdier.

9. Fremgangsmåte ifølge hvert av kravene 2-8, karakterisert ved at det plasmabehandlede finknuste materialet og/eller gasstrømmen derfra omsettes med en oksygenholdig gass i et spillvarmekokesystem.

10. Fremgangsmåte ifølge krav . 9 , karakterisert ved at den utvunne energi fra forbrenningen av det karbonholdige materiale anvendes for å frembringe elektrisk energi for plasmareaktoren.

11 Fremgangsmåte ifølge krav 2. karakterisert ved at det naturlig forekommende materialet males til aggregatstørrelsepartikler i området 1 - 20 mm og føres gjennom plasmasonen under betingelser som gir et glassaktig overflatesjikt på disse partiklene.

12 Fremgangsmåte ifølge krav 11, karakterisert ved at aggregatstørrelsepartiklene fra kull-gruveavf allsmateriale under flukt birnges i kontakt med oksygenholdig gass når det unnslipper plasmasonen i plasmareaktoren. i