Kieswaschschlamm für die Klinkerproduktion (Das Verwertungspotenzial von Kieswaschschlämmen in der Klinkerproduktion)

• Unité de recherche: OFEV
• Numéro de projet: UTF 559.17.17

Mots-clé (Allemand)

Kieswaschschlamm, Klinker, Sekundärrohstoff, Zementproduktion, Verwertungskonzept

Description succincte (Allemand)

Pro Jahr fallen in der Schweiz beim Kiesabbau mindestens 3.3 Mio t TS Kieswaschschlamm (KWS) an. Dieser wird heute zu ca. 95% deponiert. Dabei könnte er als wertvoller sekundärer Rohstoff in der Produktion von z. B. Zementklinker oder in der Grobkeramik eingesetzt werden. Um das Material für Verwertungen sichtbar zu machen wurde vom Netzwerk mineralische Rohstoffe NEROS, der Fachstelle für Sekundärrohstoffe der Uni Bern und dem Fachverband der Schweizerischen Kies- und Betonindustrie FSKB das „Inventar der Schweizerischen Kieswaschschlämme“ erstellt. Es gibt eine Übersicht über die anfallenden Mengen, den Anfallsort sowie die Zusammensetzung und Variabilität der KWS. Das Verwertungspotential wird auf ca. 1 Mio t TS/ Jahr geschätzt.

Für einen grossen Absatz bietet sich die Zementindustrie an. Damit die KWS in der Zementproduktion verwendet werden können, darf die Beimischung von KWS die Qualität des Endproduktes und die Prozessführung im Zementwerk nicht negativ beeinflussen und der Transport muss ökologisch vertretbar und wirtschaftlich sein. Für die Beibehaltung oder gar Verbesserungen der Eigenschaften der im Zementwerk vorhandenen Rohmaterialien muss der KWS zudem genau charakterisiert sein und auf das lokale Rohmaterial abgestimmt werden können.

Im vorliegenden Projekt soll am Beispiel des Zementwerkes Cornaux der Jura-Cement-Fabriken AG ein Konzept für die KWS-Verwertung erstellt, geprüft und auf die erwähnten Fragen hin untersucht werden.

Die gewonnenen Erkenntnisse sollen auf andere Standorte und andere mineralische Sekundärrohstoffe wie z. B. Tunnelausbruchmaterial übertragen werden können und so zur Erschliessung neuer Verwertungswege für mineralische Sekundärrohstoffe beitragen.

Résultats selon le contrat (Allemand)

 

1. Auf der Basis der erweiterten Standortaufnahme von KWS-Produzenten (ca.15-25) sind die Eigenschaften der KWS (chemisch, mineralogisch, Partikelgrössenverteilung, Feuchtegehalt) und die Betriebsbedingungen der Werke (z. B. Materialtransport, Verfügbarkeit der KWS, Preisstruktur) erfasst. Es sind 5 Rohmaterialmischungen für die Versuche definiert. Sie wurden mit Hilfe des neu entwickelten Mischungsrechners ermittelt und sind bezüglich Herkunft und Materialeigenschaften optimiert.

    

2. Im Labor wurden aus den Rohmaterialmischungen Klinkergranalien produziert und mit Klinkergranalien ohne KWS verglichen. Veränderungen im Verhalten des Rohmaterials (z.B. Pelletierverhalten, Wasserbedarf) und die Qualität der Klinkergranalien (Mikrostruktur, Bruchverhalten, Festigkeit, Dichte und Porosität) wurden untersucht. Meilenstein 1

3. Die Vorarbeiten für die Werkversuche sind geleistet: Die Vorortanalytik zur Bestimmung der Mineralanteile ist eingerichtet, prozesstechnische Anpassungen sind vorgenommen und die benötigten 120 t KWS stehen auf dem Zementwerk Cornaux bereit.

    

4. Auf dem Zementwerk Cornaux wurden in zwei kurz aufeinanderfolgenden Werkversuchen zuerst Klinkergranalien mit konservativem Gehalt an KWS und danach optimiertem Anteil an KWS hergestellt. Die einzelnen Prozessschritte sind beschrieben, die nötigen Prozessanpassungen bekannt und mit dem Zementwerk diskutiert. Die Qualität der produzierten Klinkergranalien ist untersucht. Meilenstein 2

    

5. Darstellung der Ergebnisse aus 1. bis 4. in Form eines zweiteiligen Schlussberichtes: ein interner Bericht mit Rohmaterial- und produktspezifischen Ergebnissen für den Standort Cornaux und ein externer öffentlicher Bericht mit Ergebnissen zur Machbarkeit der Verwertung von Kieswaschschlämmen in der Zementindustrie und Angaben zur Wirtschaftlichkeit, der für andere Standorte nutzbar ist.

    

6. Bereitstellung von Textbausteinen, Illustrationen und mindestens 3 Fotografien (genauere Angaben s. Beilage 3) für die Verwendung in öffentlichen Publikationen

    

7. Präsentation der Ergebnisse an einem wissenschaftlichen Kolloquium beim BAFU mit entsprechender Power-Point Darstellung

Objectifs du projet (Allemand)

 

Das Konzept für die Verwertung von Kieswaschschlämmen in der Grössenordnung von 800 t produzierten Klinkergranalien pro Werkversuch ist auf dem Zementwerk der Jura Cement in Cornaux in der Praxis getestet. Es lässt sich auf das Gesamtpotential von mehreren 100'000 Tonnen Kieswaschschlamm als Rohmaterialersatz für die Schweizer Zementwerke übertragen.

 

Description des résultats (Allemand)

Ziel des Projektes war es das Verwertungspotential von entwässerten Kieswaschschlämmen (KWS) in einem 80 km Einzugsgebiet des Zementwerkes Cornaux im Industriemassstab aufzuzeigen. Von 107 identifizierten Kieswerken blieben nach einer ersten Evaluation 17 geeignete Standorte übrig. Diese wurden beprobt und hinsichtlich ihrer materialtechnischen Eigenschaften (Chemie, Mineralogie, Korngrössenverteilung) in Bezug auf die Klinkerproduktion bewertet. Dazu wurde ein Mischungsrechner erstellt, welcher die optimale Substitution der primären Rohstoffkomponenten des Werkes durch die KWS berechnet und eine frühzeitige Beurteilung ermöglicht. In Laborversuchen wurden geeignete Mischungen gebrannt und die Klinkerzusammensetzung ermittelt.

Für die Werksversuche wurde eine optimierte Mischung aus drei KWS ausgewählt und 170 bzw. 240 Tonnen für zwei Tagesproduktionen (ca. 1200 t) bereitgestellt. Die Werksversuche zeigten, dass 100% des primären Mergels, der ca. 20% des gesamten Rohstoffinputs ausmacht, durch geeignete KWS oder KWS-Mischungen ersetzt werden können. Der produzierte Klinker wies keine messbaren qualitativen Unterschiede zum Referenzprodukt auf. Aufgrund des höheren Wassergehaltes waren jedoch Anpassungen in der Aufbereitung erforderlich.

Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung von Jura-Cement ergab, dass es bei einer Verwertungsgebühr von 5-15 CHF/t die Verwertung interessant und für gewisse Lieferanten günstiger als die Deponierung ist. Die Umsetzung muss individuell geregelt werden, da die Voraussetzungen bei den Lieferanten sehr unterschiedlich sind. Das Zementwerk Cornaux plant nun mit der Verwertung von Filterkuchen aus der Region zu beginnen.

Mise en oeuvre et application (Allemand)

Eine sofortige Umsetzung im Werk ist nach Angaben der Betreiber zwar geplant, aber noch nicht realisiert. Erschwerend kommt hinzu, dass es mehrere Personalwechsel im Werk und in der Betriebsleitung gegeben hat. Die Versuche im Werk haben zwar einen gewissen Mehraufwand ergeben (insbesondere eine geringfügige Vorwärmung/Trocknung der Kalk-KWS-Vormischung), dieser konnte aber durch geeignete Massnahmen ohne Neuinstallationen realisiert werden. Materialtechnisch waren die Versuche sehr erfolgreich, die Klinkerqualitäten waren identisch mit den Referenzmaterialien. Dies wurde sowohl durch die Klinkermineralogie als auch durch Mörtelversuche nachgewiesen.

Der Bericht soll auch als hilfreiche Grundlage für die Umsetzung an anderen Standorten dienen. Das Berechnungstool zur Optimierung des Substitutionsanteils von Primärrohstoffkomponenten und die generelle Vorgehensweise bei der Auswahl und Vorbewertung von KWS oder ähnlichen Materialien werden detailliert beschrieben. Darüber hinaus wurden den an der Studie beteiligten KWS-Produzenten die Ergebnisse der jeweiligen KWS übermittelt und hinsichtlich ihrer Eignung als Ersatzrohstoff bewertet. Damit können diese auch eigenständig aktiv werden.

Suivi (Allemand)

Aus Sicht der UniBE sind unmittelbar keine weiteren Aktivitäten mit dem Industriepartner geplant. Es hat sich deutlich gezeigt, dass das Interesse an Kostenneutralität bei Jura-Cement begrenzt ist. Die vom Werk erstellte Kostenanalyse lässt aus unserer Sicht noch einen grossen Spielraum in Richtung «tiefere Annahmepreise» zu. Objektiv betrachtet wäre auch eine kostenneutrale Annahme denkbar, dann stünden immer noch ca. 5 CHF/t ersetzter Mergel für den Mehraufwand zur Verfügung.

Auf der Seite der KWS-Produzenten kommt hinzu, dass diese oft sehr günstige Deponierungs­möglichkeiten haben, die deutlich unter den von Jura-Cement angenommenen 16 CHF/t liegen.

Aus Umweltsicht wäre eine Verwertung sehr wünschenswert, hilft aber den Zementproduzenten nur in sehr geringem Masse, ihre CO₂-Bilanz zu verbessern. Hier wird derzeit verstärkt untersucht, ob KWS (und andere Sekundärrohstoffe) durch thermische Aktivierung (unterhalb der Karbonatzersetzungs­temperatur, <700°C) als Klinkerersatz eingesetzt werden können. Die detaillierten mineralogischen Daten im Bericht können als erste Einschätzung dienen. Viele der untersuchten KWS werden sich jedoch aufgrund der meist niedrigen Kaolinit- und hohen Karbonatgehalte nur sehr eingeschränkt dafür eignen.

Publications / Résultats (Allemand)

Links für die beiden Dokumente auf der Institutsseite:

Bericht:

https://www.geo.unibe.ch/unibe/portal/fak_naturwis/e_geowiss/a_igeo/content/e42577/e1361800/e1364432/e1622763/Report_KWS_public_ger.pdf

 

Excel Sheet des Mischungsrechners:

https://www.geo2.unibe.ch/documents/Simulator_KWS_V7_PC.xlsm