MinBas-dagen 14 dec 2017

Transkript

1 Kenneth Fjäder, Nordkalk & Leif Johansson, Lunds universitet MinBas-dagen 14 dec 2017 Presenterat av Matias Eriksson Nordkalk AB och Umeå Universitet

2 Målsättning Ta fram ny kunskap om de kemiska och fysiska parametrar som begränsar den industriella användningen av karbonatbergarter med övergripande syfte att: Minimera produktionsbortfall samt utsläpp av CO 2 och andra miljöpåverkande ämnen. Förbättra hushållningen med naturresurser.

3 Projektparter - Geologiska institutionen, Lunds universitet - Nordkalk AB - Kalkproduktion Storugns AB Projektledare: Leif Johansson, Lunds universitet MSEK Vinnova 0.8 MSEK industriinsatser Projektdeltagare: Kenneth Fjäder, Nordkalk, Kjell Dahlberg, Nordkalk, Gerhard Hakkarainen, Nordkalk, Mikael Erlström, Lunds universitet

4 Avslutat och slutrapporterat delprojekt 1. Kalksten till stålindustrin svavel och dess förekomstsätt. 2. Sprickbildning vid låga temperaturer och dolomitens påverkan på brännegenskaper. 3. Kadmium i kalksten. Metodikstudier: Högupplöst XRF-skanning av borrkärnor (1 cm). 3D-röntgenskanning av sprickbildning vid låga temperaturer (< 700 C). Metodikstudierna ingick i ett examensarbete av Jessica Jennerheim.

5 Genomförande Representativa bergartsprov och borrkärnor har samlats in från olika bergtäkter med avseende på problemställning. Analys vid geologiska institutionen, Lunds universitet, där man byggt upp ett kalkstenslaboratorium (provugnar för bränning av borrkärnor, elektronmikroskopi och röntgenanalys, mikrokemisk analys (SEM-EDS, LA-ICP-MS), storskalig syra upplösning av karbonatbergarter m.m. Storskaliga bränntester i schaktugn, KPAB. Samarbete med Institutionen för hållfasthetslära vid LTH inom 3Dröntgenskanning. Samarbete med COX-analytical, Mölndal inom XRF-borrkärneskanning.

6 Delprojekt 1: svavel i kalkstenar och dess beteende vid bränning Pyritådra Kalcit Pyrit Dolomit Pyrit är det enda viktiga svavelförande mineralet i gotländska kalkstenar. Korrelationen mellan S, K, Si och Al visar att svavel (pyrit) är vanligast i de mer märgliga kalkstenarna.

7 Vid bränningen börjar pyrit att brytas ner genom oxidation redan under 400 C. Nedbrytningen sker i flera steg där SO 2 frigörs. SO 2 reagerar med kalkstenen och bildar anhydrit (CaSO 4 ) som är extremt stabilt. Bildningen av anhydrit sker dels på ytan av kalkstenarna och dels i sprickor och korngränser i stenen. Anhydrit på ytan skavs lätt av och hamnar i finfraktioner i luftreningsfiltren (1.3 vikt-% S i filterstoft). Fe från pyrit bildar slutligen hematit (Fe 2 O 3 ). Bildens röda områden visar var svavel förekommer. Det ursprungliga pyritkornet består nu av hematit (grått) och troligen magnetkis (?) (rosa). De röda stråken utanför kornet är kanaler för SO 2 där anhydrit bildats.

8 Anhydrit visar tendenser till att omkristallisera eller sintra till tätare former. Bilden visar anhydrit skikt. Anhydrit tar upp fukt från sin omgivning och bildar gips. Bilden visar sekundära skivformiga gipskristaller på ytan av kalcium oxid.

9 Slutsatser Vid upphettning stannar svavel till stor del kvar i produkten som anhydrit (CaSO 4 ), en mindre del lämnar den som SO 2 (eller SO 3 ). SO 2 som lyckas lämna kalkstenskroppen reagerar sannolikt med kalkstensytan. Där kan den lätt hamna i finfraktionen som anhydrit och vid senare hydrering bilda gips CaSO 4 2(H 2 O). Anhydrit är extremt stabilt och tenderar att finns kvar i den brända produkten. Minimera S i styckekalk = minimera S i råvara

10 Delprojekt 2: Sprickbildning vid låga temperaturer, < 700 C Under försöken med bränning av kalksten noterades en del sprickbildning vid temperaturer långt under de för kalcinering av kalcit och dolomit. För att följa upp detta undersöktes prov med 3D röntgenskanner vid institutionen för hållfasthetslära vid Lunds tekniska högskola (LTH). Prov (25 mm borrkärna, 25 mm lång) skannas före och efter upphettning till 400, 500, 600, 650 och 700 C. Zeiss röntgentomograf

11 Dolomit (mörk) med ostörda korngränser mot kalcit (ljus). Bilden visar en obränd sten. Bilden visar ett prov bränt vid 500ºC. Sprickbildningen har huvudsakligen skett i kalcit (ljus).

12 3D röntgenskanner: Före bränning. Svagt synlig struktur. Efter bränning 400 C. Tydligt öppen spricka.

13 Före upphettning. Efter upphettning till 400 C. Bildning av öppna sprickor följer ofta redan existerande strukturer t.ex. gränser mellan fossilfragment och korngränser.

14 Resultat Sprickor bildas främst i kalcit redan vid låga temperaturer, långt under kalcineringstemperaturerna för kalcit och dolomit. Sprickorna verkar till stor del styras av redan existerande strukturer som aktiveras under upphettningen. Sprickbildning i dolomit sker först vid temperaturer över kalcineringstemperaturen. Jämfört med kalcit är dolomitens bidrag till sönderfall obetydligt, åtminstone vid lägre halter (< 15%). Efter bränning vid 500 ᵒC har det bildats många sprickor i kalkstenen. Dessa är nästan uteslutande lokaliserade till kalcit och dess korngränser (ljus). Dolomiten (mörk) uppvisar ingen intern sprickbildning men en del korngränser mot kalcit har vidgats.

15 Delprojekt 3: Kadmium i kalksten Kadmium är en tungmetall som kan påverka miljö och hälsa och som därför måste undvikas eller hållas på en mycket låg nivå i olika produkter. I kalksten som används inom jordbruk för att förbättra jordens odlingsegenskaper är det krav på halter under 0.5 ppm. Kalkstenssekvensen i en fyndighet provtogs på 13 nivåer. Kalkstenen är delvis rik på detritalt material från omgivande berggrund (lilla bilden, t.h.).

16 Cd är relativt vanligt i zinkblände i sprickmineraliseringar. Kalkstenen ifråga är rik på detritalt material. Kommer Cd från detritalt material i kalkstenen eller är det bundet till fossilfragment och karbonatcement?

17 LA-ICP-MS analyspunkter i fossil och omgivande kalkcement.

18 Exempel på resultat av LA-ICP-MS analyserna av fossil och cement i kalksten.

19 Slutsatser Cd finns i huvudsak i karbonatfaser och inte i detritala komponenter. Halten är något högre i cementet än i fossilfragmenten. Källan till Cd är okänd men kan vara från lösningar som kommer från den uppspruckna berggrunden eller anrikats från de organismer som bildat fossilen. En konsekvens av detta är att man inte signifikant kan sänka Cd-halterna genom avskilja det detritala materialet med någon separationsprocess eller genom avbaning av lager med speciellt mycket detritalt material.

20 Projektresultaten finns i fyra rapporter (leif.johansson@geol.lu.se).

21

22 TACK FÖR UPPMÄRKSAMHETEN

23 Future work Sprickbildnings- och sönderfallsmekanismer hos karbonatstenar över hela livscykeln från brytning till bränd kalk till kund.