High-grade burnt lime products: impact of calcination kinetics on slaking reactivity; sticking tendency and blocks formation at HT (1300 °C)

This dissertation regards results obtained in three years of doctorate research activity dedicated to the study of quicklime products for different industrial applications. The heating behavior or burnability of different carbonate rocks, i.e. high-grade limestones and dolostones, marbles, marly limestones, and other impure carbonates was investigated considering typical aggregate sizes, i.e. from 15-30 mm up to 40-80 mm, and temperatures, i.e. 1050-1300 °C, occurring in a parallel flow regenerative (PFR) kilns. This study was possible thanks to the collaboration between Cimprogetti S.r.l., a company that design lime plants, based in Dalmine (Bergamo), and the Physics and Earth Sciences Department of the University of Ferrara. Raw materials were supplied from several lime producers worldwide. A multidisciplinary analytical approach, including physical-chemical, mineralogical-petrographic, crystallographic, microstructural, and thermal analyses, was performed for solving “critical” issues of industrial interest and scientific relevance. The systematic decreasing of the slaking reactivity between 1050-1250 °C, which is generally associated with the use of solid fuels into the kiln, such as coal and petcoke, was investigated with respect to specific geological rock features and derived burnt lime parameters from the one side. Lime agglomeration, blocks formation and sticking tendency at high temperature, were evaluated to the other. The last topic was studied by means of the so-called “overburning test” invented by Cimprogetti to predict blockages at 1300 °C, which is ideally considered the highest temperature occurring in PFR kilns. Indeed, this dissertation reports four scientific papers recently published, or still under revision/submission, to scientific international peer-reviewed journals. The first article regards the unusual and drastically pronounced sintering or overburning tendency of the South African Neoarchean limestone case-study. The second paper is dedicated to the impact of rock fabric, thermal behavior, and carbonate decomposition kinetics on quicklime industrial production and slaking reactivity. The third one regards the prediction of lime agglomeration, blocks formation, sticking tendency and occasional melting occurring by the “overburning test” method, which is industrially adopted for quality control, designing, and commissioning new kilns. Finally, the fourth paper is dedicated to the investigation of factors affecting the early sintering and the lowering of slaking reactivity of limes burnt at high temperatures (1150-1300 °C).

La presente discussione espone i risultati ottenuti nei tre anni di dottorato di ricerca dedicati allo studio di prodotti a base di calce viva per differenti applicazioni industriali. Il comportamento termico, o attitudine alla cottura, di diverse rocce carbonatiche (calcari e dolomie ad alto titolo, marmi, calcari marnosi e altri carbonati impuri), è stato investigato considerando le tipiche frazioni granulometriche (da 15-30 mm, a 40-80 mm) e le tipiche temperature (1050-1300 °C) presenti nei forni rigenerativi a flusso parallelo (PFR). Questo studio è stato possibile grazie alla collaborazione tra Cimoprogetti S.r.l., una società che progetta impianti per la calce con sede a Dalmine (Bergamo) e il Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra dell’Università di Ferrara. Al fine di chiarire alcuni argomenti “critici” di rilevante interesse scientifico e industriale, i campioni sono stati caratterizzati con diverse tecniche analitiche, mediante analisi chimico-fisiche, mineralogico-petrografiche, cristallografiche, microstrutturali e termiche. Da un lato è stata investigata la decrescita sistematica della reattività nell’intervallo di temperatura compreso tra 1050–1250 °C, che generalmente è associato all’utilizzo di combustibili solidi nel forno, come il carbone e il petcoke. Dall’altro, è stata determinata la tendenza della calce ad agglomerare, formare blocchi e “incollare” ad alta temperatura. Questo tema è stato investigato mediante il cosiddetto “test di stracottura” inventato da Cimprogetti per predire la formazione di blocchi nei forni da calce a 1300 °C. Quest’ultima è considerata, infatti, la massima temperatura operativa dei forni PFR. La dissertazione riporta quindi quattro articoli scientifici recentemente pubblicati o tuttora in corso di revisione/sottomissione su riviste scientifiche internazionali sottoposte a processo di peer-review. Il primo articolo riguarda il caso specifico di un calcare sudafricano di età neoarcheana, caratterizzato da un’insolita tendenza precoce a sinterizzare o “stracuocere”. Il secondo articolo tratta gli effetti del fabric della roccia, del comportamento termico e delle cinetiche di decomposizione sulla reattività della calce viva per produzioni industriali. Il terzo articolo riguarda la previsione della formazione dei blocchi, la tendenza della calce a incollare e occasionalmente a fondere mediante il “test di stracottura”, utilizzato in ambito industriale per il controllo qualità, la progettazione e l’avviamento di nuovi forni. L’ultimo articolo, infine, analizza i fattori che influenzano la sinterizzazione precoce e l’abbassamento della reattività delle calci cotte ad alta temperatura (1150-1300 °C).