Sammanfattning. Projekt Pnr Energieffektiv framställning av brända karbonatprodukter Pågående

Transkript

1 Forskningsprogram Industriforskning DI Konsumtion Dnr Total kostnad Projekt Pnr Energieffektiv framställning av brända karbonatprodukter Pågående Avslutat Tidplan, förväntade delrapporter Årsrappport 2007, Årsrapport 2008, Årsrapport 2009, Årsrapport 2010 Slutrapport Universitet/Högskola/Företag 0Proj koordin. medelsmottagare MinFo Föreningen Mineralteknisk Forskning Adress Drottning Kristinas väg 26, Stockholm Fullständigt namn och E-post till forskningsledare/kontaktperson MinFo: Jan Bida Jan.bida@minfo.se Lunds univ: Leif Johansson, Leif.Johansson@geol.lu.se Slutrapport, namn och förlag Avdelning/Institution Utförare Lunds universitet, Geologiska institutionen Sammanfattning Uppnådda huvudresultat Årsrapport 2007 Ett karbonatlaboratorium har byggts upp vid Geologiska Universitet. Projektet förfogar över två moderna lablokaler som är väl lämpade för arbeten med bränning av olika material. Projektet har också genom överenskommelse med laboratoriet för keramisk forskning tillgång till såg, slip och polerutrustning samt två brännugnar varav en kan nyttjas upp till 1350 grader En speciellt designad rörugn för bränning av kalksten och dolomit har byggts. Ugnen är anpassad för bränning av borr kärnor och kan arbeta kontinuerligt upp till 100 grader. Den kan styra manuellt eller via internt nätverk alternativt Internet. En enkel metod att simulera den deformation som sker i industriella roter- och schaktugnar har tagits fram. Metoden bygger på pulsskakning i vertikalled och medger kvantitativ bedömning av mängden bildat finmaterial. Undersökningar och ett antal provbränningar har genomförts av kalksten från Solberga. Borrkärnekarteringen visar att det finns sju olika typer av kalksten i borrkärnan och att den delvis är starkt deformerad. De trettiotal tunnslip som undersökts visar att äldre spricksystem, som inte kan relateras till sprängning, siktning, transport etc. är mycket vanliga och spelar en viktig roll i bildningen av finmaterial. En undersökningsmetod som bygger på detaljundersökning av planslipade och polerade ytor har utvecklats. Med denna kan man direkt relatera under de bränning bildade sprickorna till strukturer som orsakats av deformation eller kemiska skillnader.

2 Undersökning av industriellt högtemperaturbränd dolomit visar att denna är extremt finkristallin, porös och att d enskilda oxid kristallerna ofta är genomsatta av mikrosprickor i skalan 1-3 mikrometer. Dessa är med stor sannolikhet bildade under avsvalningsfasen antingen som ett resultat av deformation i ugnen eller på grund av termisk kontraktion. Vi har även genomfört inledande undersökningar av silikatinklusioner och vätskeinklusioner för att utröna om dessa spelar någon avgörande roll för sönderfall av deras värdkarbonater. Resultaten tyder på de inte utgör någon huvudorsak till sönderfall. Kompletterande undersökningar kommer dock att ske. En viktig slutsats av det inledande arbetet är att vi måste undersöka vad som sker under hela temperaturvägen från uppvärmning via maxtemperaturfasen till avsvalningen. Sprickbildning som bidrar till produktion av fines kan ske över merparten av temperaturintervallet. Årsrapport Utredning av orsakerna till sönderfall Under året har projektets första del slutförts, där orsakerna till sönderfallet av karbonatbergarterna vid bränning klarlagts. Genom undersökningar av kalkstenar från Dalarna och Gotland samt dolomit från bergslagen har vi hittills funnit fem faktorer som påverkar graden av sönderfall. Dessa är: 1. Reaktivering av gamla deformationstrukturer 2. Diskreta spricksystem 3. Förekomst av styloliter 4. Innehåll av kalcitkristaller (sparrit) 5. Inklusioner av silikatmineral, gäller främst dolomitprov Punkt 1 och 2 kan knytas till bergarternas tidigare deformationshistoria, punkterna 3 och 4 beror på avsättningförhållanden och den tidiga diagenetiska utvecklingen och den femte punkten reflekterar bergarternas metamorfa historia. En viktig slutsats kan baseras på dessa resultat är att varje bergart är unik med avseende på sönderfallsegenskaper. Detta innebär också att varje bergtäkt kommer att ha sin egen problematik. Under 2008 har ett hundratal kalkstensprov bränts och utvärderats. Ett syfte har varit att se hur bränningsegenskaperna varierar stratigrafiskt dvs med olika avsättningsmiljöer. I ett fall undersöktes hur graden av sönderfall (fines) varierarade i en ca 30 m lång borrkärna. Merparten av kalkstenen hade mycket bra bränningsegenskaper (2,4 % fines i genomsnitt, 0-19 m) medan den nedersta delen var markant sämre. I detta fall orsakas de sämre egenskaperna sannolikt av ökat inslag av styloliter och diagenetiskt bildade kalcitkristaller. Metodutveckling, se nedan. Under året har också genomfört några bränningar av större bitar av dolomit med inklusioner av silikatmineral. Syftet var att se om inneslutna silikater initierar sprickbildning under bränningen. Resultaten visar helt klart att så är fallet. I dolomiten finns dessutom tunna, < 1mm, sprickor som är fyllda av kalcit. Dessa sprickor öppnas nästan undantagslöst vid bränning av dolomiten. En möjlig orsak kan vara att kalciten har kristalliserat så att kristallerna är orienterade och därmed utvidgar sig alla mer eller mindre i samma riktning under uppvärmning. Sprickorna kan vara mycket svåra att upptäcka. Metodutveckling, se nedan. 2. Metodutveckling a) En metod för bedömning av andelen diagenetiskt bildad kalcit har utvecklats. Den bygger på bildbehandling av tjocka tunnslip och kan ge numeriska värden för en lång rad parametrar bl.a. antalet kalcitytor, deras area, elongation, omkrets och orientering. Programmet som använd är NIS Elements BR 3.0. Ett modernt bildanalyssystem har satts upp i samarbete med Keramiska forskningslaboratoriet. b) För att detektera inklusioner i dolomit har en metod testats där stenen färgas in med färgämnet alizarinrött löst i en utspädd saltsyra. Efter någon minut färgas kalcitfyllda sprickor röda medan dolomiten i stort sett behåller sin gråvita färg. Med denna metod kan man lätt utvärdera hur uppsprucken stenen är och därmed grovt bedöma deras lämplighet för bränning.

3 c) Under senhösten har undersökningar av ytterligare två karbonatstenar, en kalksten och en dolomit inletts. Båda dessa bergarter är mycket finkorniga och har stor porositet. Preliminära resultat tyder på goda bränningsegenskaper. Sannolikt beror det på att CO 2 lätt kan avgå under bränningen. Denna indikation om att kornstorlek och primärporositet har stor betydelse för bränningsegenskaperna kommer att följas upp, då den allmänna bedömningen är att finkorniga kalkstenar generellt inte lämpar sig för bränning. Därför kan det bli aktuellt att komplettera metodutvecklingen med denna typ av information. d) För att simulera den mekaniska deformationen under bränning i roter- och schaktugnar har en enkel metod utvecklats. Med hjälp av denna har andelen material som sönderfaller kunna kvantifieras genom en enkel skak-siktprocess och vägning av uppkomna fraktioner. Fram tills nu har använts en pulsskakapparat av en äldre modell. De brända proven har skakats under viss tid och frekvens. Utrustningen har dock haft stora begränsningar vad avser inställning av olika parametrar. För att förbättra simuleringsmomentet och standardisera detta kommer vi från årsskiftet att använda en digitalt kontrollerad skakapparat. Målsättningen är att ta fram en metod som kan användas på alla företagslaboratorier och helst ersätta den flora av metoder som används. 3. Implementering av resultaten i industrin I den ursprungliga projektplanen följs metodikdelen inom etapp I av implementering av de vunna erfarenheterna under etapp II. Projektet befinner sig nu i detta övergångsskede. Resultaten har visat att implementeringssteget måste påbörjas parallellt, då varje fyndighet är unik. Detta innebär att grundläggande undersökningar av olika typer av karbonatsten och fortsatt metodutveckling kommer att pågå parallellt med att implementeringen inleds. Detta påverkar metodutvecklingen, på så sätt att de kan behövas ytterligare metodutveckling än de redan gjorda, för att täcka in alla tänkbara kombinationer av material i täkterna. Diskussioner om möjliga sätt att implementera kunskaper skedde delvis under projektarbetsgruppen septembermöte. Därefter har L. Johansson haft mer informella diskussioner med representanter från företag. En huvudlinje är att i största möjliga mån försöka utnyttja data om råvaror och brännegenskaper som finns hos företagen. Ett viktigt moment av implementeringen är att knyta an till storskaliga bränningsförsök som företagen genomför för att utvärdera fyndigheter. Under 2008 genomförde Nordkalk ett sådant försök kopplat till projektet, med omfattande provtagningar och analyser. (Konfidentiell Rapport STEM Kalkbränning 1/08). Där görs nu i Lund fördjupade undersökningar av obränt och bränt material för att validera utvecklade lab. -metoder mot utfallet i driftsskalan. Långt framskridna planer finns också om att nyttja borrkärnematerial för att rekonstruera en naturlig kalkstenmiljö i tre dimensioner. Man kan då genomföra provbränning av kärnmaterial och få fram sönderfallsvärden som sedan kan appliceras på 3D modellen som ger tonnage av olika kalkstenstyper. Med en sådan modell bör man också kunna bedöma om bra kalksten för bränning kan tas ut selektivt. Slutmålet är att bedöma de energibesparingar som är möjliga. Detta arbete kommer att inledas under tidiga våren Implementeringsfasen kommer att vara huvudämnet under projektarbetsgruppen möte i Tällberg i mars Projektets organisation, möten m.m. Projektetapp I som syftat till att visa att det är möjligt att utreda orsaker till sönderfall under bränningen och utveckla metoder som kan användas i företagen utvärderades av projektarbetsgruppen vid höstmötet i september i Lund. Slutsatsen var att arbetet skulle fortsätt i linje med den ursprungliga planen. Dock fanns det förändrade förutsättningar att göra så, då den industriella projektledaren från SMA, som aktivt arbetade i projektet med forskningsuppgifterna, lämnat företaget för ny tjänst. Detta innebar en avsevärd minskning av egeninsatser som påverkade den del som finansieras av Energimyndigheten och ett merarbete för forskargruppen i Lund. Arbetsgruppen beslöt därför att omförhandla avtalet med Energimyndigheten. En ny kostnadsplan inkl. en uppdatering av projektplan utarbetades och presenterades för Energimyndigheten. I december kom beslutet från Energimyndigheten som innebär att deras finansieringsandelen ökats från 33 till 40%. Denna ökning är betydelsefull för verksamheten i Lund. Projektarbetsgruppen har haft två möten under 2008, båda i Lund. Lägesrapporter har lämnats vid projektgruppens möten, till Energimyndigheten och till MinFos Styrgrupp Processtekniks möten juni och oktober. Leif Johansson har under året besökt dolomitbrottet i Larsbo (OMYA, N. Vorbrodt) främst för att se spricksystemen. Tre laboratoriebesök har genomförts i syfte att ta del av och diskutera metodik. Dessa gick till SP/CBI i Borås (J.Lindqvist, U. Åkesson), CBI i Stockholm (B.Lagerblad, J. Trägårdh) och SMA lab i Persberg (E. Engström, R. Gräsberg).

4 Utkomna projektinterna konfidentiella rapporter STEM Kalkbränning 1/08, Calcination trials of Lmst-1 limestone in Raahe Shaft kiln 1 Technical Report, Eriksson Matias PT, Fjäder Kenneth MT, Dahlberg Kjell PT,, Nordkalk Oyj Abp, Publicerade artiklar och konferensbidrag MinBaS-dagen 2007, 11 december 2007, SGU, Uppsala CD publikation, MinBaS AB - MinBaS-dagen 2008, 11 december 2008, Bergsskolan, Filipstad s Univversitet Årsrapport Utredning av orsakerna till sönderfall Merparten av den första projektfasen slutfördes under 2008 men även under 2009 har ett antal kalkstenar studerats. Några nya orsaker till sönderfall har inte upptäcks utan dessa undersökningar stöder de tidigare klarlagda orsakerna till sönderfall som är: 1. Reaktivering av gamla deformationstrukturer 2. Diskreta spricksystem med kalcitfyllnader 3. Förekomst av styloliter 4. Innehåll av kalcitkristaller (sparrit) 5. Inklusioner av silikatmineral, gäller främst dolomitprov 6. Grovkristallinitet, raka korngränser Punkt 1 och 2 kan knytas till bergarternas tidigare deformationshistoria, punkterna 3 och 4 beror på avsättningförhållanden och den tidiga diagenetiska utvecklingen och den femte och sjätte punkten reflekterar bergarternas metamorfa historia. En viktig slutsats kan baseras på dessa resultat är att varje bergart är unik med avseende på sönderfallsegenskaper. Detta innebär också att varje bergtäkt kommer att ha sin egen problematik. 2. Metodutveckling Eftersom projektets inledande fas om orsaker till sönderfall i huvudsak är genomförd har metodutvecklingen varit begränsad till att standardisera skakningsmetoden som simulerar den mekaniska deformationen som den brända kalken utsätts för i brännugn, på transportband, under siktning, lagring och transporter. Metoden bygger på skakning av de brända proven i en digitalt styrd siktapparat av fabrikat Retsch AS 200, en modell som finns på många laboratorier. Proven väger gram och skakas två gånger med mellanliggande vägning. Tre siktar används, 8, 4 och 2 mm. Genom att apparaten är digitalt styrd kan proceduren upprepas med stor noggrannhet. Amplitud och tid styrs via display eller via ansluten dator. Under årets tester har proven skakats först i 2 minuter med amplitud 1,5 och därefter en gång under 1 minuter med amplitud 2,5 mm. Den sammanlagda mängden finmaterial < 8 mm dvs fraktionerna 8 4 mm, 4-2 mm och < 2 mm registreras. Som finmaterial räknas allt < 8 mm. Med denna metodik har årets prov varierat från < 5% finmaterial upp till 72% finmaterial. Hur det uppmätta värdet numeriskt speglar verklig bildning av finmaterial i industriprocessen är svårt att utreda då varje bränningsanläggning har sina tekniska lösningar, brännrutiner, transportmetoder osv. Det viktiga är dock att metoden kan skilja sönderfallsbenägen kalksten från den av god kvalitet. Att detta är möjligt visar entydigt de tester som gjorts av borrkärnor från Storugns. 3. Implementering av resultaten i industrin Under 2009 har projektet allt mer inriktats mot implementering av de kunskaper som framkommit I den ursprungliga projektplanen ingick ett fullskaletest med bränning av olika kalkstenstyper där dessa skulle hållas skilda från varandra från brytning till färdig produkt. Denna test var tänkt att ske under projektets slutskede. I rådande lågkonjunktur har det visat sig omöjligt att genomföra en sådan test utan mycket stora kostnader och logistiska problem. Ett alternativ kom då att bli att skapa en 3D modell av ett mycket stort kalkstensområde. Målet är att se hur olika kalkstenstyper uppträder i berggrunden, bestämma

5 deras benägenhet att bilda finmaterial och sedan se om man kan optimera brytningen så att mängden finmaterial minimeras samtidigt som man får avsättning för så stor del av kalkstensvolymen som möjligt. Om olika brytnings scenarier kan tas fram kan man också uppskatta hur optimala dessa är ur olika synpunkter t.ex. energiåtgång och C0 2 utsläpp. Det innebär att undvika att den sämsta kalksten i största möjliga mån bränns. Modellområdet som valdes blev Storugns på Gotland där det fanns ett omfattande material av 30 m långa borrkärnor. Området som är ca 500 x 500 meter är sedan länge utbrutet. Med ett djup av 30 meter kommer volymen att omfatta ca 20 miljoner ton kalksten. Borrkärnorna var översiktligt karterade men en omkartering bedömdes nödvändig för att få en så konsekvent bedömning av berggrunden som möjligt. Omkarteringen av 50 kärnor, genomfördes under 2 veckor i maj av Fredrik Lövberg och Angelica Mikkelsen som båda har goda kunskaper om sedimentologi. De introducerades i arbetet av Kenneth Fjäder, Nordkalk. Fem olika typer av kalksten urskildes, revkalksten, stromatoporoidekalksten, krinoidekalksten, fragmentkalksten samt märgelrik kalksten. Dessa typer representerar olika avsättningsmiljöer och har i testbränningar visat sig ha olika bränningsegenskaper. All karteringsdata överfördes till excelfiler som användes till 3D modellen. Modelleringen som pågår genomförs i samarbete med Per-Gunnar Alm vid Geoteknik vid LTH. En första version var klar i slutet av november.. Arbetet med att utveckla modellen kommer att fortsätta under våren Bland annat skall olika sektioner tas fram och volymbestämningarna av olika kalkstenstyper förbättras. Parallellt med modelleringen av kalkstensvolymen brändes fyra stycken kärnor i laboratoriet i Lund. Kärnorna valdes ut under karteringen och representerar dels de olika kalkstenstyperna och kommer från olika delar av området. Kärnorna provtogs med en täthet på ca 2 prov per meter vilket ger prov per borrkärna. Provbränningarna visar entydigt att revkalksten, stromatoporoidekalksten och krinoidekalksten har relativt sett bra bränningsegenskaper med ett sönderfall på 5-15 %. Skillnaderna mellan dessa typer är liten. Fragmentkalkstenen däremot är markant sämre med ett sönderfall i genomsnitt på %. Ca 25 % av totalvolymen består av fragmentkalksten med mindre bra brännings egenskaper. Fragmentkalkstenen står för ca 50 % av bildningen av finmaterial De preliminära resultaten från 3D-modellen visar att den övre pallen (0-15 m) domineras av fragmentkalksten som har de sämsta bränningsegenskaperna medan revkalksten som har de bästa bränningsegenskaperna bildar NO SV långsträckta kroppar. 4. Projektets organisation, möten m.m. Projektarbetsgruppen har haft två möten under 2009, mars i Rättvik/ Tällberg och i Visby den 24 september. I samband med mötet i Rättvik/Tällberg, som arrangerades av SMA, besöktes SMA:s kalkstensbrott i Jutjärn och Kalkverket i Rättvik. Nordkalk AB var värdar för arbetsgruppens höstmöte på Gotland och arrangerade i samband med detta gjordes studiebesök i kalkbrottet och bränningsanläggningen vid Storugns. Lägesrapporter har lämnats vid projektgruppens möten och en halvårsrapport har lämnats till Energimyndigheten och MinFos Styrgrupp Processtekniks i augusti. Under våren genomfördes en halvtidsutvärdering av projektet av EnerGia Konsulterande Ingenjörer AB på uppdrag av Energimyndigheten. I samband med detta träffade L. Johansson och M. Thomaeus utvärderaren. Projektet bedömdes ha nått sina halvtidsmål. I slutet av 2009 lämnade M. Thomaeus uppdraget som MinFos representant i projektarbetsgruppen där hon genom stor erfarenhet och kreativitet bidragit till projektet. Hon efterträddes vid årsskiftet av J. Bida. Leif Johansson har under året besökt kalkbrotten vid Storugns, Stucks och Jutjärn. Han har också haft ett informellt möte med prof. Olav Eklund, Åbo Universitet, som ingår i ledningen för Caretech ett finskt forskarkonsortium som bland annat arbetar med att försöka hitta kriterier för bra kalksten till desulfurisering av förbränningsgaser. Utkomna projektinterna konfidentiella rapporter STEM Kalkbränning 1/08, Calcination trials of Lmst-1 limestone in Raahe Shaft kiln 1 Technical Report, Eriksson Matias PT, Fjäder Kenneth MT, Dahlberg Kjell PT,, Nordkalk Oyj Abp, Publicerade artiklar och konferensbidrag MinBaS-dagen 2007, 11 december 2007, SGU, Uppsala CD publikation, MinBaS AB

6 - MinBaS-dagen 2008, 11 december 2008, Bergsskolan, Filipstad -MinBas dagen 2009, 2 december 2009, SGU, Uppsala CD publikation, MinBas AB Utvärdering av projektet MinFos energiprogram Utvärdering 2009 efter halva projekttiden Projekt 2. Energieffektiv framställning av brända karbonatprodukter Uppdragsgivare: Energimyndigheten Box 310, Eskilstuna Författare: Rune Hardell, EnerGia AB Datum Årsrapport 2010 Implementering av resultaten i industrin Under 2010 har arbetet med implementering av sönderfallsresultaten fortsatt. Det inledande samarbetet med forskare vid Geoteknik på LTH avslutades i och med att Olof Sandström åter fått möjlighet att delta i projektet. Sandström var initiativtagare till projektet och i den ursprungliga planen var implementering en av hans huvuduppgifter. Sedan våren 2010 har han medverkat i projektet på konsultbasis. Målet är att skapa en detaljerad 3D modell av ett större kalkstensområde och utifrån den ta fram olika brytningsscenarier som minimerar energiförbrukning och CO2-utsläpp men ändå utnyttjar fyndigheten fullt ut. Arbetet bygger på karteringen av 50 st borrkärnor (Storungs, Nordkalk) som genomfördes 2009 och de provbränningar som sedan genomfördes vid laboratoriet i Lund. För att göra modellen mer realistisk har vi också använt information om den kemiska sammansättningen som ett begränsande kriterium i modellen. En preliminär version blev klar i november. Den är gjord med programmet RockWorks 15 och visar fördelningen av olika kalkstenstyper och var kalksten av olika bränningskvalitet och kemi befinner sig rumsligt. Vi ställa upp flera samverkande villkor t.ex. att Ca-halten skall vara >54% samtidigt som SiO 2 skall vara < 1% och sönderfallet max 15% och därmed finna de volymer i täkten som motsvarar dessa krav. När man känner till denna kalkkvatites rumsliga fördelning kan olika brytningsstrategier konstrueras. Slutmålet är att minimera energiåtgång och kostnader samtidigt som man ändå utnyttjar råvaran maximalt. I den kommande rapporten diskuteras olika fall där målet är att både maximera andelen fines för produktion av råvara till PCC och minimera den för produktion av styckekalk till stålindustrin. Parallellt med implementeringsarbetet har vi inlett en detaljundersökning av tre borrkärnor från Dalarna (SMA). Arbetet sker till stor del inom ramen för ett examensarbete (Håkan Olsson) vid Geologiska institution i Lund. Syftet är att undersöka orsaker till sönderfall av kalkstenen och finna kopplingar till den geologiska utvecklingen i området. Sedimentationsmiljöerna är snarlika de på Gotland men eftersom Siljansområdet utsattes för ett meteoritnedslag för ca 370 miljoner år sedan är kalkstenarna i Siljansområdet betydligt mer deformerade. Likaså verkar kalkstenen i Dalarna vara mer kemiskt komplexa, förmodligen beroende på att ämnen tillförts i de spricksystem som skapats i samband med meteoritnedslaget. Två av borrkärnorna har provtagits mycket tätt och bränts i laboratoriet. Resultaten visar en mer komplicerad bild än den vi fått från kalkstenar på Gotland. Det går att skilja ut kalkstenstyper med högt sönderfall men de bakomliggande orsaker är flera. Vi ser bland annat att gamla läkta sprickor aktiveras och att brunfärgade (petroleum?) kalkstenar har klart sämre bränningsegenskaper. Examensarbetet beräknas vara klart i mars Under 2010 har vi också genomfört undersökningar av kalksten som kommit in från företagen. Med undantag för en provserie så följer sönderfallet de mönster vi sett tidigare. De prov som avvek från

7 mönstret var två prov av gammal kristallin kalksten. Båda var grovkorniga och välkristalliserade och kunde förväntas ha relativt dåliga bränningsegenskaper. Dock skiljer sig bränningsegenskaperna åt och en frågeställning var att utreda varför. Orsaken ligger i bergarternas mikrotextur där den ena typen uppvisar stråk av mer finkorniga kristaller inom de större kristallerna. Det tyder på omkristallisation i samband med deformation. Generellt brukar finkornig kalksten ha bättre bränningsegenskaper än grovkornig kalksten. I ett av proven fann vi kontinuerliga korngränsmineral (troligen klorit) som helt innesluter de enskilda kalcitkristallerna. Hur dessa korngränsmineral beter sig under bränning återstår att undersöka. Vi har inte tidigare sett denna texturella typ och det visar att det är viktigt att få in så många olika typer av karbonatsten som möjligt. Planerade arbeten våren 2011 Genom att projektet beviljats förlängning fram till avser vi att undersöka fler typer karbonatsten. Det är också angeläget att genomföra ett mindre pilotprojekt där vi ser på kalkstenarnas kemiska variation. Av implementeringsstudien framgår det tydligt att det optimala utnyttjandet med hänsyn till energiåtgång, produktionsekonomi och miljö beror inte bara på sönderfallsegenskaperna utan också i hög grad på förekomsternas kemiska variation. Vi planerar att testa om vi kan få en högupplöst bild av kalkstenarnas kemi genom att använda ett bärbart XRF-istrument. Vi kommer då att kunna mäta halter direkt i brytväggarna, i borrkärnor och i borrmjöl. En enskild analys tar ca 2 minuter att genomföra. Ett instrument är nu under upphandling av Geologiska institutionen i Lund. Projektets organisation, möten m.m. Under 2010 har projektgruppen haft två ordinarie möten, den 24 mars vid Geologiska institutionen i Lund och den 20 oktober vid Björka Mineral i Glanshammar. Vid mötet i Glanshammar besöktes, under ledning av Nils Vorbrodt, OMYA:s underjordsbrytning av dolomit. Projektet har av STEM beviljats förlängning med 6 månader och kommer därför att avslutas den 30 juni Ekonomisk slutredovisning skall vara rapporterad senast Huvudsakliga skäl till förlängning är att projektets experimentella del inte kunde, av tekniska skäl, startas som planerat samt att vi vill skaffa ett bättre underlag för bedömning av kemiska parametar i implementeringsmodellen. Utkomna projektinterna konfidentiella rapporter STEM Kalkbränning 1/08, Calcination trials of Lmst-1 limestone in Raahe Shaft kiln 1 Technical Report, Eriksson Matias PT, Fjäder Kenneth MT, Dahlberg Kjell PT,, Nordkalk Oyj Abp, Publicerade artiklar och konferensbidrag MinBaS-dagen 2007, 11 december 2007, SGU, Uppsala CD publikation, MinBaS AB - MinBaS-dagen 2008, 11 december 2008, Bergsskolan, Filipstad -MinBas dagen 2009, 2 december 2009, SGU, Uppsala CD publikation, MinBas AB Planerade rapporter 2011 Slutrapport STEM/MinFo (juni 2011) - Implementeringsrapport (preliminär version finns) - Sönderfall Gotland (juni 2011) - Sönderfall Dalarna (mars 2011) - Övriga karbonatstenstyper, metodbeskrivningar (juni 2011)

8 Tolkning av dessa i förhållande till forskningens syfte/mål Årsrapport 2007 Projektets inledande fas har som huvudsyfte att ta reda på vad som orsakar sönderfall av kalkstenen samt som första delmål att ge basen för metodutvecklingen genom att klarlägga orsakerna till sönderfallet. Grundläggande studier genomförs för att relatera mineralogiska, strukturella och kemiska egenskaper hos råvarorna till sönderfallet. Den hittills genomförda utvecklingen av metoder för strukturanalys och bränning i laboratorieskala samt simulering av deformation genom skakteknik ligger helt i linje med projektet mål. Två av de ovan nämnda resultaten har speciell signifikans. Det första är att sprickbildningen till stor del styrs av äldre deformationstrukturer. Det ger oss ett första verktyg att skilja bra sten från dålig sten på ett relativt enkelt sätt vilket är ett av projektets slutmål. Det är naturligtvis bara en del av orsakerna bakom sönderfallet men otvivelaktigt en viktig sådan för vissa typer av kalksten. Det andra resultatet som kan vara betydelsefullt är att det bildas extremt fina sprickor i hårt bränd dolomit. Detta kan bidra till bildning av de allra finaste partiklarna, de under 3 mikrometer. Partiklar i denna storlek anses inom modern forskning som en klar hälsorisk och kan vara ett problem både i arbetsmiljön och den externa miljö. I projektets övergripande målsättning finns förutom energibesparingsmål också förbättring av miljö, däri en minskning av partikelutsläpp. Den inledande fasen med undersökningar av material kommer att intensifieras under våren 2008 medan utvecklingen av metoder väntas avta. Kalksten från Gotland och biogent bildad dolomit från Estland kommer att vara två nya huvudobjekt. Arbetet kommer som hittills att följas upp av projektets arbetsgrupp med minst två möten per verksamhets år. Årsrapport 2008 De kanske viktigaste slutsatserna av den hittills genomförda forskningen är dels att vi i samtliga studerade bergarter kunnat finna orsaker till sönderdelning (se ovan) och kunnat påbörja arbetet med att utveckla metoder som kan användas i företagen för identifiera råvaror som kan ge sönderfall i brännprocessen. En viktig sak som framkommit är också att det inte finns någon enkel gemensam orsak, som kan tillämpas generellt i alla fyndigheter. Detta betyder att vi för att optimera materialval och därmed minska bildningen av fines och i förlängningen energiåtgången, måste arbeta specifikt med varje produktionsplats. Detta behöver inte vara någon nackdel utan bör tvärtom leda till bättre kunskaper om materialegenskaper och fältrelationer än vad som skulle ha varit fallet om man kunnat nöja sig med mer generella insatser. Den kunskap om orsaker till sönderfall som kommit fram inom projektet är av speciellt stort intresse vid prospektering och bedömning av potentiella fyndigheter samt vid utvidgning av existerande täkter. Det genomförda driftsförsöket vid Nordkalk ger värdefull kunskap till metodutvecklingen och möjliggör en validering och vidareutveckling av utvecklade lab.-metoder. Under det kommande året skall arbetet bedrivas på två fronter, dels som tidigare i laboratoriet i Lund och dels på fältet där kopplingen till fält- och produktionsförhållanden sker. Årsrapport 2009 Under året har projektets fokus flyttats allt mer mot implementering av kunskaper och erfarenheter i den industriella miljön. Den ursprungliga planen att genomföra fullskaletester är på grund av den rådande ekonomiska krisen inte möjlig att fullfölja. Detta tillsammans med att den första projektfasen tydligt visat att varje kalkstenstyp (i praktiken varje bergtäkt) är unik med avseende på bränningsegenskaper leder till att det generella värdet av ett dyrbart fullskaletest kan diskuteras. Istället bör man vid varje kalkstensfyndighet utvärdera möjligheterna att optimalt använda råvaran genom att i stor skala utvärdera fyndigheterna med avseende på kalkstenstyper, bränningsegenskaper och framförallt klargör hur olika kalkstenstyper förhåller sig till varandra rumsligt och

9 stratigrafiskt. För att uppnå långsiktiga energibesparingarna måste detta ske redan under det första prospekteringsskedet av potentiellt nya fyndigheter. Under det 2010 kommer arbetet med 3D-modellen och skrivande av rapporter att ha hög prioritet. Vi kommer också att genomföra ett omfattande examensarbete med kalksten från Dalarna och parallellt med detta studera om och hur sprickbildning sker vid temperaturer mellan 500 och 800 grader dvs under kalcineringstemperaturen. Årsrapport 2010 Målet att fastställa olika orsaker till termiskt sönderfall av karbonatstenar kan anses uppnått. Vi vet nu att varje fyndighet är unik och att bergarternas geologiska historia till stor del avgör hur de beter sig under bränning. Det betyder att bildningsmiljö och senare processer som omkristallisation i samband med deformation och metamorfos är avgörande för bränningskvaliten. Att optimera nyttjandet av en enskild förekomst (energiåtgång, användning, miljöaspekter osv.) kräver därför ingående geologiska kunskaper om förekomsten. Som framgått tidigare har det inte varit möjligt att genomföra den fullskaletest som ursprungligen planerades som en del av implementeringen. Fullskaletestet ersätts av en modellering av en större kalkstenvolym som motsvarar flera årsproduktioner. En fördel är att vi kan ta fram fler produktionsscenarier, ta hänsyn till fler användningsområden och väga in kemiska parametrar. I den kommande rapporten ses bildningen av fines inte enbart som negativ. Vid framställning av PCC kan det vara en fördel med kalksten som bildar stor andel finfraktion under bränningen. Det minimerar energikrävande krossning. Projektet har visat att det är teoretiskt möjligt att optimera uttaget i en förekomst. Det vore utomordentligt värdefullt om man kunde genomföra en täktoptimering också i praktiken dvs ta fram olika brytningsscenarier innan brytning sker och se vilka vinster som kan göras. Det skulle visserligen ta ett par år innan man kan bedöma utfallet men det skulle ge viktiga erfarenheter. Inför öppnandet av en ny täkt kunde man då också testa annan teknik som ger information om fyndigheten, tex georadar, avancerad borrhålsloggning och mer rumsligt högupplöst kemi. Projektpresentation Problemställning Vid sönderfallet av kalkstenar i bränningsprocessen bildas en finfraktion, som ger en ren produktförlust (oanvändbar produkt) och dels ett hanteringsproblem (deponi, damning mm). Om man vill återanvända finfraktionerna måste dessa briketteras, vilket medför ytterligare energiförbrukning och hanteringsproblem. Vissa fyndigheter kan uppvisa enorma skillnader i brännbarhet, från att det endast bildas en liten andel fines, till att mer än 50% bränt material ej kan användas p.g.a. sönderfall. I sådana fall är det ännu mer aktuellt att kunna förstå vad som orsakar sönderfallet. Det finns därför mycket starka incitament i industrin för att utveckla metoder att förutsäga sönderfallet för att öka lönsamheten och konkurrenskraften i produktionen. Flera olika idéer om hur man kan förutsäga ett sönderfall har testats såväl nationellt som internationellt, men har haft karaktären av åtgärder utan kunskap. Flera försök har gjorts att koppla samman sönderfall med skarnintrusioner, alla med resultat som inte gett tillfredsställelse. Metoder som shattertest och liknande, vilka används idag, är i bästa fall bra, när resultatet är godkänt, dvs. ett Good är OK, men ett Bad kan också betyda OK. Osäkerheter med sådana test kan betyda att man antingen inte vågar bryta i en fyndighet, trots att den kan vara bra, eller (vilket är mer vanligt) att man inte tar hänsyn till resultaten och provar ändå, med risk för att det inte blir bra. Det är känt i praktisk drift att kalkstenarnas mineralogi påverkar sönderfallet. Internationella studier genomförda på liknande mineraliseringar har visat att de hypoteser som skall testas i projektet har relevans för att förutsäga sönderfall vid höga temperaturer. Mot bakgrund av problemen och det faktum att det finns stora energivinster och ekonomiska besparingar att hämta har behovet av ett långsiktigt forskningsprojekt uppkommit.

10 Syfte och mål Syftet är att 1) ta reda på vad som orsakar sönderfall av kalkstenen 2) ta fram en, helst enkel, metod som förutsäger sönderfall 3) implementera kunskaper om sönderfall i produktionen. Det angreppssätt som föreslagit är nytt. Det bygger på att inledningsvis göra systematisk upplagda grundläggande studier av olika typer av råvaror. Upp till sex hypoteser för mineralogiska, strukturella och kemiska orsaker till kalkstenarnas sönderfall skall utvärderas och lägga grunden för utveckling av enkla förundersökningsmetoder och verktyg för styrning av bränningsprocessen. Projektet är indelat i etapper med delmål för att uppnå det övergripande målet: - Etapp 1 syftar till att ge basen för metodutvecklingen genom att klarlägga orsakerna till sönderfallet. Grundläggande studier genomförs för att relatera mineralogiska, strukturella och kemiska egenskaper hos råvarorna till sönderfallet. I denna del av projektet finns en beslutspunkt om inriktningen på fortsatt utvecklingsarbete. Utvald metodik utvärderas genom en pilotstudie. Därmed kan en bedömning göras om möjligheterna att uppnå målsättningen med att utveckla enkla metoder och verktyg. Delprojektet har också som mål att utveckla metodik som kan användas också inom prospektering för att skilja bra stenar från dåliga. Vidare skall modeller för termiskt beteende utarbetas som kan vara en grund för verktyg för planering av en verksamhet. - Etapp 2 har som mål att lägga basen för att implementera utvecklade metoder och verktyg i produktionsapparaten. Metoder och modeller skall anpassas för industri- och branschspecifika verksamheter och underlag skall utarbetas till metodval och praxis. Vid projektets slut (år 4 fr.projektstart) skall finnas underlag i form av minst en case study i en produktionsanläggning som kan användas för bedömning av en total energibesparingspotential och utvecklade modeller och verktygs användbarhet. Det beräknas att ca 10% av den totala energibesparingen kan påvisas vid projektets slut. Förväntad nytta med forskningen i relation till Energimyndighetens uppdrag att ställa om energisystemet. Målet är att reducera energibehovet vid produktion av brända karbonatprodukter med totalt 251 GWh/år genom att reducera sönderfallet att produkterna under brännprocessen. Genom att utveckla undersökningsmetoder och verktyg för prospektering, produktion och styrning av brännprocessen förväntas sönderfallsförlusterna i brännprocessen kunna minskas med 20%. Detta ger en direkt energibesparingspotential av 247 GWh/år av kol och 4 GWh/år av el. Till detta kan också läggas potentialen för minskat energibehov och kostnader för brikettering, transporter samt deponering. Direkt potential för CO 2 reduktion är 166 kton/år och 3 kton/år indirekt från elproduktion. Energibesparingen förväntas uppnås till 100% efter 10 år från projektets avslutande. Det industriella intresset för att kunna förutsäga storleken av ett sönderfall har blivit mer och mer aktuellt för producenterna med stigande priser på bränsle. Effektivisering genom minimering av förluster vid bränning är troligtvis en av de mest lönsamma åtgärderna man kan göra i ett kalkverk. En 20 % reduktion av energikostnaderna ger en besparing av 307 kwh/ton färdig kalkprodukt. Detta ger utrymme för omfattande åtgärder hos inblandade företag och ett investeringsutrymme på ca MSEK räknat på 10-årig investering. Projektet förväntas också ge en förbättring av produkternas kvalitet genom bättre styrning av processerna utifrån råvarornas förutsättningar. Förutsättningarna ökar också för att fler fyndigheter kan öppnas vilket bidrar till samhällets utveckling genom nya arbetstillfällen. Projektet bidrar till miljöförbättringar och ytterligare energibesparing i form av minskad hantering av fint material (reducerar damm, transporter och upparbetning)