Siegen, Universiẗat, Diss., 1999.

Techn. Universiẗat, Diss., 2005--Clausthal.

Techn. Hochsch., Diss.--Aachen, 2006.

Bei der Zementklinkerherstellung fallen auch erhebliche Mengen an Prozessstäuben an, z.B. Bypassstäube. Die Zusammensetzung der Stäube kann auch innerhalb eines Werkes je nach Betriebszuständen unterschiedlich sein. Zu den relevanten Bestandteilen gehören Alkalisulfate und -chloride sowie Carbonate, Freikalk und Klinkerphasen. Als Nebenbestandteil können chloridreiche Stäube aufgrund des niedrigen Chloridgrenzwerts nur sehr begrenzt, sulfathaltige Stäube hingegen bis zu 5 M.-% zur Zementherstellung eingesetzt werden. Im Fokus stand die Untersuchung der Eignung sulfatreicher Prozessstäube als Nebenbestandteil zur Sulfatoptimierung. Hier wurde geprüft, ob und wie sich dadurch insbesondere bei Zementen mit mehreren Hauptbestandteilen Frühfestigkeiten verbessern lassen und der Klinkeranteil verringert werden kann. Durch einen verstärkten Einsatz sulfatreicher Prozessstäube lassen sich Anteile natürlicher Sulfatträger (Anhydrit, Gips) substituieren. Die isotherme Wärmeflusskalorimetrie erfasst die zeitliche Wärmefreisetzung der Zemente bei Hydratationsvorgängen. Je nach Zementhauptbestandteil erfordert eine optimale Hydratation unterschiedliche Verfügbarkeiten der Sulfate. Ob und wie diese zur Verfügung stehen, konnte durch die Verfolgung der Hydratationswärmefreisetzung nachvollzogen werden. Aus dem Vergleich mit den üblichen Methoden zur Sulfatoptimierung, wie Festigkeits- und Verarbeitbarkeitsuntersuchungen, wurde ermittelt, dass sich die Wärmeflusskalorimetrie als schnelle, einfache und kostengünstige Optimierungsmethode einsetzen lässt. Die Untersuchungen wurden an den gängigsten Zementarten mit mehreren Hauptbestandteilen sowie an hüttensand- und kalksteinhaltigen Zementen (CEM III/A, CEM II/B-M (S-LL), CEM II/A-LL, CEM II/B-M (Q-LL) durchgeführt. Isotherme Wärmeflusskalorimeter werden bereits heute von vielen Zementherstellern zur Bestimmung der Hydratationswärme eingesetzt. Daher können die Ergebnisse direkt von den KMU der Zementindustrie zur effizienteren Nutzung von Zementhaupt- und Nebenbestandteilen genutzt werden.

Bei der Zementherstellung wird ein wesentlicher Teil thermischer Energie für das Brennen des Zementklinkers im Drehrohrofen aufgewendet. Heutzutage werden parallel zu den fossilen Brennstoffen Ersatzbrennstoffe (EBS) eingesetzt, die erstere substituieren. Die Zementhersteller streben eine Erhöhung des EBS-Anteils an, um ihre Wettbewerbssituation zu sichern bzw. zu verbessern. Neben wirtschaftlichen sind insbesondere auch ökologische Vorteile zu nennen. So kann der Einsatz von EBS etwa zur Verminderung klimarelevanter CO₂-Emissionen beitragen. Ziel des Forschungsprojektes war es, diejenigen Brennstoffpartikel im EBS zu identifizieren, die nicht vollständig in der Flamme verbrennen, im Klinkerbett umgesetzt werden und dabei potenziell die Ausbildung der Klinkerphasen beeinträchtigen können, z.B. durch lokal reduzierende Brennbedingungen. Dabei sollten deren Wechselwirkungen mit dem Klinker genauer untersucht werden. Basierend darauf sollten Empfehlungen zur EBS-Qualität und Erhöhung des EBS-Einsatzes erarbeitet werden. Im Projekt wurde ein repräsentatives Bild der in Deutschland eingesetzten EBS erstellt und mittels CFD-Simulation die Auftreffschwerpunkte und Eigenschaften von EBS-Partikeln in einer typischen Ofenanlage ermittelt. Erstmals wurde eine Methode entwickelt, mit der der Umsatz von Brennstoffpartikeln im Klinkerbett in einem Laborofen simuliert werden kann. Mittels eines ausführlichen Laborprogramms wurde das Verständnis der Abläufe und Zusammenhänge deutlich erweitert. Als ungünstig einzustufende Brennstoffpartikel und Sinterzeiten wurden anhand einer Bewertung der Klinker-Qualitätsparameter identifiziert. Bei einem Werksversuch und begleitenden CFD-Simulationen wurde dies weitgehend bestätigt. Es wurde ein Tool entwickelt und bereitgestellt, mit dem sich die Flugweite von EBS-Partikeln berechnen lässt, um gezielt Optimierungen durchführen zu können. Betreiber von Zementwerken werden dadurch Erkenntnisse und ein Werkzeug an die Hand gegeben, um den EBS-Einsatz ohne negative Auswirkungen auf die Produktqualität weiter erhöhen zu können.

Bei der Zementherstellung wird ein wesentlicher Teil der thermischen Energie für das Brennen des Zementklinkers im Drehrohrofen aufgewendet. Heutzutage werden als Ersatz für fossile Brennstoffen vorwiegend Alternativbrennstoffe im Klinkerbrennprozess eingesetzt. Ein Großteil davon sind abfallbasierte, mechanisch aufbereitete flugfähige Fraktionen (Ersatzbrennstoff, EBS). Aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten und um CO₂-Emissionen zu reduzieren, streben die Zementhersteller eine Erhöhung des EBS-Anteils an. Idealerweise sollte der EBS durch entsprechende Aufbereitung so vorkonditioniert sein, dass er ausreichend homogen hinsichtlich wesentlicher verbrennungstechnischer Parameter ist. Dies erleichtert es dem Betreiber, einen gleichmäßigen Ofenbetrieb sicherzustellen und eine Beeinträchtigung der Klinkereigenschaften zu vermeiden. Voraussetzung hierfür ist, dass die Qualitätsanforderungen an den EBS möglichst genau beschrieben, überprüft und mit dem EBS-Lieferanten abgestimmt werden können. Ziel des Projektes war es, der deutschen Zementindustrie einen neuartigen Prüfapparat zur quasi-kontinuierlichen Eingangskontrolle der EBS-Lieferungen als Gebrauchsmuster zur Verfügung zu stellen. Hierzu wurde erstmals ein System entwickelt, konstruiert und getestet, dass auf einer schnellen, technisch robusten und effizienten Charakterisierung von Flugfähigkeit, Feuchte und stofflicher Zusammensetzung basiert. Die Erprobung in Zementwerken hat ergeben, dass das System geeignet ist, um damit die EBS-Qualität fortlaufend zu überprüfen. Bei Betriebsversuchen konnten Änderungen der EBS-Feuchte und -Flugfähigkeit detektiert und quantifiziert sowie die stoffliche Zusammensetzung bestimmt werden. Bei Absinken der EBS-Qualität wurde eine Beeinträchtigung der Klinkereigenschaften (Braunverfärbung) festgestellt. Der Betrieb des Schnellprüf-Verfahrens kann dazu beitragen, diesem Effekt durch Anpassung der EBS-Qualität entgegenzuwirken und so die EBS-Einsatzrate zu erhöhen.

The success of a cement production project depends on the raw material supply. Longterm quarry production planning (LTQPP) is essential to maintain the supply to the cement plant. The quarry manager usually attempts to fulfil the complicated calculations, ensuring a consistent supply of raw materials to the cement plant while guaranteeing technical and operational parameters in mining. Modern quarry management relies on block models and mathematical algorithms integrated into the software to optimize the LTQPP. However, this method is potentially sensitive to geological uncertainty in resource estimation, resulting in the deviation of the supply production of raw materials. More importantly, quarry managers lack the means to deal with these requirements of LTQPP. This research develops a stochastic optimization framework based on the combination of geostatistical simulation, clustering, and optimization techniques to optimize the LTQPP. In this framework, geostatistical simulation techniques aim to model the quarry deposit while capturing the geological uncertainty in resource estimation. The clustering techniques are to aggregate blocks into selective mining cuts that reduce the optimization problem size and generate solutions in a practical timeframe. Optimization techniques were deployed to develop a new mathematical model to minimize the cost of producing the raw mix for the cement plant and mitigate the impact of geological uncertainty on the raw material supply. Matlab programming platform was chosen for implementing the clustering and optimization techniques and creating the software application. A case study of a limestone deposit in Southern Vietnam was carried out to verify the proposed framework and optimization models. Geostatistical simulation is applied to capture and transfer geological uncertainty into the optimization process. The optimization model size decreases significantly using the block clustering techniques and allowing generate solutions in a reasonable timeframe on ordinary computers. By considering mining and blending simultaneously, the optimization model minimizes the additive purchases to meet blending requirements and the amount of material sent to the waste dump. The experiments are also compared with the traditional optimization framework currently used for the deposit. The comparisons show a higher chance of ensuring a consistent supply of raw materials to the cement plant with a lower cost in the proposed framework. These results proved that the proposed framework provides a powerful tool for planners to optimize the LTQPP while securing the raw material supply in cement operations under geological uncertainty.:Title page _ i Declaration_ ii Acknowledgements _ i Publications during candidature_ii Abstract _iii Table of contents _v List of figures_viii List of tables _ xi List of abbreviations _xii Chapter 1 . Introduction _1 1.1 Background _1 1.2 Statement of the problem _2 1.3 Research aims and objectives_ 3 1.4 Scope of research _4 1.5 Research methodology _ 4 1.6 Significance of theresearch_5 1.7 Organization of thesis _6 Chapter 2 . Literature review _ 8 2.1 Introduction _ 8 2.2 Cement raw materials _8 2.3 Cement production process _ 8 2.3.1 Raw material recovery _9 2.3.2 Raw material processing_10 2.4 Impact of raw materials on the cement production process _12 2.5 Quarry planning and optimization _13 2.6 Long-term production planning (LTPP) problem _14 2.6.1 Deterministic approaches to solve the LTPP problem_15 2.6.2 Stochastic approaches for solving the LTPP problem_21 2.7 Conclusion_26 Chapter 3 . A stochastic optimization framework for LTQPP problem_28 3.1 Introduction_28 3.2 Deposit simulation_29 3.2.1 Simulating the rock type domains using SIS_30 3.2.2 Simulating the chemical grades within each domain conditionally to rock type domains, using SGS_30 3.3 Block clustering _31 3.4 The mathematical formulation for the LTQPP problem_32 3.4.1 Notation_34 3.4.2 Mathematical formulation_36 3.5 Numerical modelling_39 3.5.1 Clustering _39 3.5.2 SMIP formulation_41 3.6 Conclusion _47 Chapter 4 . Hierarchical simulation of cement raw material deposit_ 49 4.1 Introduction _49 4.2 Research area _ 50 4.2.1 General description_50 4.2.2. Data set_50 4.3. Application of hierarchical simulation _53 4.3.1 Rock-type simulation _ 53 4.3.2 Grade simulation _60 4.4. Discussion_73 4.5. Conclusion_76 Chapter 5 . Application of the stochastic optimization framework_77 5.1 Introduction_77 5.2 Implementation of KHRA _77 5.3 Implementation of the SMIP model _78 5.3.1 Sensitivity of the penalty cost _80 5.3.2 The effectiveness of the SMIP model _82 5.4 Risk mitigation _85 5.5 Conclusion _87 Chapter 6 . Conclusions and future works _ 89 6.1 Conclusions _89 6.2 Future works _91 References_ 93 Appendix I. Software Application _100 A.I.1 Introduction _100 A.I.2 Input preparation _101 A.I.2.1 Format of block model input _101 A.I.2.2 Import block model input _102 A.I.2.2 Cost assignment _104 A.I.2.3 Size reduction _ 107 A.I.3 Optimization _110 A.I.3.1 Destination _110 A.I.3.2 Production capacity _ 111 A.I.3.3 Additive purchase _ 111 A.I.3.4 Pit slopes _ 111 A.I.3.5 Optimization _ 112 A.I.4 Visualization of optimization results _112

Zementklinker ist der Hauptbestandteil von Zement und verbraucht zu dessen Herstellung signifikante Mengen von natürlichen Ressourcen und trägt gleichzeitig zu seiner sehr ungünstigen Treibhausgasbilanz bei. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass Zementersatzstoffe mit spezifischen Eigenschaften aus Abfallstoffen wie Kieswaschschlämmen, Strassenwaschschlämmen und Gipskartonplatten ohne Leistungseinbußen auf Produktseite, bei geringeren Temperaturen und geringerer CO2 Emission hergestellt werden können. Entsprechend den angestrebten Eigenschaften solcher zum Teil anthropogener Zementbestandteile wurden lokal verfügbare geeignete Abfallstoffe ausgewählt und thermisch aktiviert. Eine industriell anwendbare Methode zur Aktivierung solcher Stoffe bei Temperaturen von 700 °C – 850 °C wurde entwickelt und patentiert. Es basiert auf einem neu entwickelten Trocknungsverfahren und der Kombination von zwei Produktionslinien, um durch die Verknüpfung der Gasströme beider Systeme eine energieeffiziente thermische Behandlung von Abfallstoffen zu ermöglichen sowie auf umweltfreundliche Weise einen Zementersatzstoff herzustellen.:Table of Contents List of Tables List of Figures List of Abbreviations Glossary Chapter 1: Introduction 1.1 Motivation 1.2 Research hypotheses and objectives 1.3 Research methodology 1.4 Thesis outline Chapter 2: State of the art in SCM production 2.1 Supplementary cementitious materials 2.2 Classification of SCMs 2.2.1 Classification according to origin 2.2.2 Classification according to reaction behaviour 2.3 Chemical composition of SCMs 2.4 Formation of hydraulic or pozzolanic minerals in thermal processes 2.4.1 Cement clinker 2.4.2 Burnt oil shale 2.4.3 Fly ash 2.4.4 Calcined clay 2.5 Performance of composite cements 2.6 Calcining technologies 2.6.1 Flash calciner 2.6.2 Rotary calciner 2.7 Comparison of process technologies 2.8 Summary of Chapter 2 Chapter 3: Alternative SCMs and a new method for activation 3.1 Introduction 3.2 Target of alternative SCM 3.3 Waste materials 3.3.1 Aggregate washing sludge 3.3.2 Road cleaning sludge 3.3.3 Deconstruction gypsum 3.4 Producing alternative SCMs 3.5 Thermal activation of alternative SCMs 3.6 Limitations in current calcining technology 3.6.1 Difficult emission control 3.6.1.1 Particulate emission 3.6.1.2 Gaseous emission 3.6.2 Challenging material preparation 3.6.3 Demand for noble fuels 3.6.4 Difficult colour control 3.6.5 Strict temperature control 3.6.6 CO2 footprint of calciners 3.7 Proposed new method of calcination 3.7.1 Feed material handling 3.7.2 Thermal heat-exchange system 3.7.3 Clay calciner design 3.7.4 Grinding 3.8 Summary Chapter 3 Chapter 4: Theoretical Considerations 4.1 Material considerations 4.1.1 Composition of alternative SCM 4.1.2 Anticipated products and characteristics 4.2 Process considerations 4.2.1 System capacity 4.2.2 Material characteristics 4.2.3 Material receiving, crushing and handling 4.2.4 Thermodynamic modelling 4.2.4.1 Mass balance 4.2.4.2 Drying and cooling heat balance 4.2.4.3 Calcination heat balance 4.2.4.4 Gas balance 4.2.4.5 Impact on clinker kiln line 4.2.4.6 Impact of calcite on the gas balance 4.2.5 Calciner design 4.2.6 Colour control 4.2.7 Emission prediction 4.2.7.1 Emission during drying 4.2.7.2 Emission during calcination 4.2.8 CO2 footprint of produced material 4.2.9 Grinding requirements 4.3 Summary of Chapter 4 Chapter 5: Experimental tests and proof of concept 5.1 Introduction 5.2 Sampling and characterization 5.2.1 Kaolinitic AWS from France 5.2.2 Non-kaolinitic AWS from Switzerland 5.2.3 Road cleaning sludges from Switzerland 5.2.4 Deconstruction gypsum from Switzerland 5.2.5 Sample preparation and shipping 5.3 Drying screw conveyor testing 5.4 Calcination testing 5.4.1 Mineralogy of activated products 5.4.1.1 Non-kaolinitic SCM 5.4.1.2 Kaolinitic AWS from France 5.4.2 Colour 5.5 Crushing tests 5.6 Grinding tests 5.7 Mortar compressive strength testing 5.8 Water demand testing 5.9 Summary of Chapter 5 Chapter 6: Experimental results 6.1 Characteristics of activated materials 6.2 Concrete performance and colour 6.2.1 Thermally activated kaolinitic AWS from France 6.2.2 Thermally activated non-kaolinitic alternative SCM from Switzerland 6.3 Equipment dimensioning 6.3.1 Process mass flow 6.3.2 Heat-exchanging screws and thermal oil system 6.3.3 Rotary calciner dimensioning 6.3.4 Ball mill dimensioning 6.4 CO2 reduction 6.5 Summary of Chapter 6 Chapter 7: Conclusion and outlook 7.1 Conclusions 7.2 Outlook. Literature