DE19608841C1

DE19608841C1 - Verfahren zur Herstellung von Metakaolin aus kaolinitischem Ton

Info

Publication number: DE19608841C1
Application number: DE1996108841
Authority: DE
Inventors: Inga Dipl Ing Hauschildt; Michael Dr Schmidt
Original assignee: Heidelberger Zement AG
Current assignee: HAUSCHILDT, INGA, DIPL.-ING., 69207 SANDHAUSEN, DE; SCHMIDT, MICHAEL, DR.-ING., 69120 HEIDELBERG, DE
Priority date: 1996-03-07
Filing date: 1996-03-07
Publication date: 1997-08-28
Anticipated expiration: 2016-03-08

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Metakaolin aus kaolinitischem Ton, welcher nach Zerkleinerung und thermischer Trocknung calciniert wird.

Als Ausgangsstoffe zur Herstellung von Metakaolin kommen bekannterweise natürliche Alumosilicate in Frage, insbesondere Kaolin. Reine Handelsprodukte von Kaolin bestehen zu über 90% aus dem Tonmineral Kaolinit, der Rest weist Quarz und Illit auf. Außerdem können Feldspäte und Chlorit neben feinverteilten organischen Bestandteilen vorhanden sein.

Die Dehydroxylation von Tonmineralien zu Metaphasen erfolgt üblicherweise im Temperaturbereich zwischen 250-750°C. Bei Temperaturen von 900-1000°C setzt die Umwandlung des Metakaolins in Mullit und Cristobalit ein (vgl. Technologie der Keramik, VEB Verlag für Bauwesen, Berlin 1985, 1. Aufl. Bd. 3, S. 137 und 140).

Es ist bekannt, die Überführung von Kaolinit in den vielfältig einsetzbaren Metakaolin verfahrenstechnisch mittels Trocknung und Verbrennung durchzuführen.

So kann beispielsweise in einem Drehrohrofen oder Festbettreaktor, bei Temperaturen zwischen 700-850°C, eine Umwandlung von Kaolinit in Metakaolin ausgeführt werden. Der Nachteil dieser Verfahren ist u. a. darin zu sehen, daß die Verweildauer zum Erreichen einer vollständigen Umsetzung des im verwendeten Ton vorhandenen Kaolinit in Metakaolin, 1-3 h im Falle des Drehrohrofens bzw. sogar 3-6 h im Falle des Festbettreaktors beträgt. Wird die Überführung von Kaolinit in Metakaolin in einem sogenannten "Schock Reaktor" vorgenommen, so liegt die optimale Betriebstemperatur zwischen 600-900°C und die Verweildauer kann erheblich, bis auf Werte von < 0,54 s, in der Regel 2 s, gekürzt werden.

Das Endprodukt Metakaolin muß bestimmten Anforderungen entsprechen, und zwar abhängig von dem angewendeten Herstellverfahren und den jeweils gewählten verfahrenstechnischen Einstellungen; so beispielsweise kann der Nachweis der vollständigen Umsetzung von Kaolinit in Metakaolin mittels Röntgendiffraktometrie oder Thermogravimetrie erfolgen. Zur Beurteilung der puzzolanischen Reaktivität können u. a. der Gehalt an reaktiver Kieselsäure oder die Ergebnisse der Festigkeitsuntersuchungen an Metakaolin/Kalkhydrat-Mischungen herangezogen werden.

Aus der Literatur ist bekannt, daß Metakaolin, der im Drehrohrofen hergestellt wurde, weniger Reaktivität aufweist, als dasselbe Rohmaterial nach einer Behandlung im Festbettreaktor. Die Reaktivität des mittels Schockcalcination hergestellten Metakaolin ist gleichwertig oder besser, wie die der Produkte aus dem Festbettreaktor.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zur Umwandlung von Kaolinit in Metakaolin zu entwickeln, mit dem eine praktisch vollständige Überführung von Kaolinit in Metakaolin, bei einer hohen Verfügbarkeit der Anlage, erreicht wird, d. h. Verweilzeiten von Bruchteilen von Sekunden, und bei adäquater oder höherer puzzolanischer Reaktivität als sie mit dem bekannten Verfahren erzielt werden kann.

Erfindungsgemäß wird das dadurch realisiert, daß der Kaolinit nach Zerkleinerung und thermischer Trocknung zwischen 700- 1086° in einem Pulsationsreaktor in Bruchteilen von Sekunden calciniert und der erhaltene Metakaolin am Ausgang des Reaktors auf Temperaturen < 600° abgekühlt wird.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Der an sich bekannte Pulsationsreaktor besteht aus einer Brennkammer und einem Resonanzrohr und bildet somit, akustisch betrachtet, einen Hohlraumresonator. Der Verbrennungsprozeß in der Brennkammer setzt mit der Ausbreitung einer Druckwelle Energie frei und regt eine akustische Schwingung an. Dadurch wird der Abgasströmung im Resonanzrohr eine periodische Geschwindigkeitsschwankung überlagert. Die Frequenz des Pulsationsbrenners wird durch die Temperatur des Verbrennungsgases, die Geometrie der Brennkammer und des Resonanzrohrs, sowie durch eventuell angekoppelte Räume, bestimmt.

Der zu behandelnde kaolinitische Ton, ein überwiegend anorganischer Stoff kann erfindungsgemäß gemeinsam mit dem Verbrennungsstoff in der Brennkammer oder erst nach der Brennkammer aufgegeben werden.

Wird der zu behandelnde kaolinitische Ton nach der Brennkammer aufgegeben, so wird die Brennkammer mit Verbrennungsluft und einem Stützbrennstoff als Heißgaserzeuger betrieben, wobei die Temperatur des aus der Brennkammer austretenden Gasstromes höher eingestellt werden muß, damit das kalt hinzukommende Material die angestrebte Verfahrenstemperatur als Mischtemperatur erreicht. Als Reaktionsstrecke dient bei dieser Vorgehensweise ausschließlich das Pulsationsrohr. Diese Verfahrensweise ist, durch Vermeidung von unvollständiger Verbrennung des Stützbrennstoffes, technisch günstiger als die langsamere Aufheizung des Materials zusammen mit der Verbrennungsluft in der Brennkammer.

Die Aufbereitungsanlage besteht aus einer an sich bekannten Trocknungs- und Zerkleinerungsanlage. Dabei wird ein Ton zur Beaufschlagung des Pulsationsreaktors angestrebt, welcher zweckmäßigerweise die handelsüblichen physikalischen Kenngrößen aufweist, wie eine Feuchte zwischen 3-6% und eine Korngröße von 1,5 mm. Zur Optimierung des verwendeten Korns kann von dem in einem Backenbrecher erhaltene Material, mittels einer Siebmaschine oder einem Sichter, ein getrocknetes Material mit einer Korngröße von 0,9 mm abgeschieden werden, wobei der überschüssige Ton mit einer Korngröße "a" von 0,9 mm < a < 1,5 mm, entweder als kaolinitischer Ton einem anderen Anwendungsbereich zugeführt oder nach erfolgter Nachzerkleinerung zur Metakaolinherstellung verwendet werden kann. Der so erhaltene Ton wird dem nachgeschalteten Pulsationsreaktor zum Calcinieren aufgegeben.

Um die Wahrscheinlichkeit einer Rekristallisation des Metakaolin zu Kaolin so gering wie möglich zu halten, wird das Produkt am Ausgang des Reaktors mittels Kühlluft, die gegebenenfalls vorher getrocknet wird, schlagartig auf eine Temperatur < 600°C abgekühlt.

Die Abgase, die bei der Verbrennung im Pulsationsreaktor entstehen, werden einer Abgasreinigung aufgegeben.

Man war vor der Erfindung eher geneigt anzunehmen, daß beim Erhitzen von Kaolinit bei Temperaturen < 900°C, Mullit neben Cristobalit gebildet werden. Gemäß der Erfindung wird aber überraschenderweise gerade die im Ausgangsstoff enthaltene Komponente Kaolinit - Al₂(OH)₄Si₂O₅ in sehr kurzer Zeit, - Bruchteil von Sekunden - und bevorzugt durch mineralogische Umwandlung in ein Metakaolin - Al₂O₃ · 2 SiO₂-hoher puzzolanischen Reaktivität umgesetzt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können somit nicht nur hohe Reaktionsgeschwindigkeiten erzielt werden, sondern auch ein sehr reines Produkt mit Werten für die puzzolanische Reaktivität, die höher als die vergleichbaren Werte des Standes der Technik sind.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die dazugehörige Zeichnung zeigt lediglich den zum Calcinieren verwendete Pulsationsreaktor, als der wichtigste Teil der Anlage.

Der Ausgangsstoff in Form von überwiegend kaolinitischem Ton wurde über eine geeignete Trocknungs- und Zerkleinerungsanlage vorbehandelt, so daß das für die Behandlung im Pulsationsreaktor verwendete Material in einer Körnung von < 0,9 mm und mit einer Feuchte von 3-6% vorlag. Dieses Material wurde in der Brennkammer des Pulsationsreaktors (Fig. 1) aufgegeben. Die Aufgabemenge betrug 6 kg/h, die Brennkammertemperatur wurde zwischen 700- 900°C gehalten. Die Verweildauer betrug Bruchteile von Sekunden.

TABELLE

Als Vergleichsbeispiel diente ein Metakaolin hergestellt in einem "Schock-Reaktor".

Wie aus der Tabelle ersichtlich, wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Metakaolin erhalten, dessen Gehalt an reaktiver Kieselsäure 53% beträgt, bei einer Verweildauer im Pulsaktionsreaktor von 0,6 Sekunden. Das heißt, daß Metakaolin, der im Pulsaktionsreaktor hergestellt wurde, einen um 26% höheren Gehalt an reaktiver Kieselsäure aufweist, als ein Metakaolin hergestellt nach einer Behandlung im Schockreaktor und dies bei einer Verweildauer, die 30% kürzer ist als die zweckmäßige Verweildauer im Schockreaktor.

Bezugszeichenliste

1 Brennkammer
2 Resonanzrohr
3 Zyklonabscheider
4 Eintritt Verbrennungsluft
5 Kaolinit-Aufgabe

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Metakaolin aus kaolinitischem Ton, welcher nach Zerkleinerung und thermischer Trocknung calciniert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbehandelte Ton, bei Temperaturen zwischen 700 -1086°C, in einem Pulsationsreaktor in Bruchteilen von Sekunden calciniert und der erhaltene Metakaolin am Ausgang des Reaktors auf Temperaturen < 600°C abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Verbrennungsluft und gegebenenfalls ein Stützbrennstoff sowie der vorbehandelte Ton, gemeinsam der Brennkammer des Pulsationsreaktors zugeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbehandelte Ton unmittelbar dem Resonanzrohr des Pulsationsreaktors zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vorbehandelter Ton mit einer Korngröße 1,5 mm verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vorbehandelter Ton mit einer Korngröße 0,9 mm calciniert wird.