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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
pulverförmigen Stoffs mit flüssigkeitsbindenden Eigenschaften,
basierend auf einem Material, das in freiem oder gebundenem
Zustand CaO, SiO&sub2; und Al&sub2;O&sub3; enthält, wobei das genannte
Material in einein Gefäß bei einer Temperatur zwischen 1400 ºC und
1550 ºC geschmolzen wird, während dem die besagten Stoffe oder
andere Stoffe, sofern dies erwunscht wird, beigegeben werden, so
daß als Ergebnis eine Schmelze entsteht, die aus 33 - 52 m% CaO,
9 - 25 m% Al&sub2;O&sub3; und 23 - 45 m% SiO&sub2; besteht, sowie aus geringen
Fraktionen anderer Stoffe, wobei die vorgenannte Schmelze
abgelassen, gekühlt und gereinigt wird. Erwünschtenfalls kann dem
Endprodukt ein Aktivierungsstoff beigefügt werden.
Die Erfindung betrifft ebenfalls einen pulverförrnigen Stoff mit
flussigkeitsbindenden Eigenschaften, der mittels der in der
Erfindung beschriebenen Verfahren hergestellt worden ist. Die
Erfindung betrifft darüber hinaus insbesondere die Benutzung von
Flugasche, die aus Anlagen mit Kohlenfeuerungen freigesetzt wird;
sie beschränkt sich jedoch nicht auf die Benutzung von Flugasche.
Wo nachstehend in dem Text auf aus kohlegefeuerten Anlagen
freiwerdende Flugasche verwiesen wird, werden auch andere
Reststoffe gemeint, gereinigten Stahlstaub, Kanalisationsschlamm,
Asbest, metallartige Schlacken, Baggermaterial und andere
verunreinigte Stoffe.
Einleitung
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Die vorgenannte Methode ist aus EU-0 019 338 bekannt und
wird darin im Detail beschrieben, ebenfalls ohne die Erfindung
auf Flugasche zu beschränken. Es werden verschiedene
Möglichkeiten beschrieben, das geschmolzene Material auf einen
Feststoff herunterzukühlen, ohne daran spezifische Anforderungen
zu stellen oder damit bestimmte Vorteile zu verbinden.
Die bekannte Methode, eine Schmelze in Wasser zu kühlen, liegt
auf der Hand. Ein Nachteil aber ist, daß die Wärme, die bei
dieser Art und Weise der Kühlung freigesetzt wird, nicht optimal
genutzt werden kann. Dies ist der Fall bei der Methode, die von
GB-1 248 061 beschrieben wird, wobei ein schnelles Kühlen einer
Schlacke durch Kühlung mit Wasser vorliegt.Diese Kühlmethode wird
auch in GB-1 556 788 genannt.
Zweck der Erfindung
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Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, die Energie,
die für die Durchführung der eingangs beschriebenen Methode
erforderlich ist, besser auszunutzen, was zu einer
wirtschaftlicheren Methode führt, sowohl hinsichtlich des
Energieverbrauchs als auch hinsichtlich der Dimensionierung und
Optimierung der Größe des Schmelzgefäßes, oder für die Art und
Weise des Erhitzens der zugeführten Materialien mit optimalem
Ergebnis.
Beschreibung der Erfindung
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Das erste und wichtigste ist, daß die Schmelze nicht beim
Abkühlen kristallisieren darf, sondern eine glasartige Struktur
behalten soll.
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Unerwünschte Kristallisierung führt zu einein Endprodukt, das
unbrauchbar ist. Beim Kühlen und Granulieren mit Wasser ist dies
unproblematisch, jedoch muß Wasser aus energetischen Erwägungen
als Kühlmittel vermieden werden.
Aus der Literatur ist es bekannt, daß Schlacken zur Herstellung
von Zement aus Ofenschlacken (und deshalb ebenfalls für die
erstellung von Zement aus Alkalischlacken) einem hohen
Glasgehalt aufweisen müssen, uni einen guten Reaktionsgrad zu
erhalten. Dies alles basiert auf den nachfolgenden
Feststellungen:
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a. Der Reaktionsgrad von Schlacken (oder Flugasche) mit
fester chemischer Zusammensetzung nimmt mit abnehmendem
Glasgehalt ab. Dies wird durch Experimente bestätigt) die
entsprechend der in EU-0 019 338 beschriebenen Methode durchgeführt
worden sind. Mit einem Glasgehalt von 95 % im Endprodukt ist die
Festigkeit der damit hergestellten Objekte um 5% geringer als
mit einem Produkt mit einer Glasphase von 100 %.
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b. Der Reaktionsgrad des Produkts nimmt mit einem
Glasgehalt zwischen 100 und 95 % zu und geht dann allmählich
zurück, dies alles auf die in E. Damoulian, P. Gourdin, F.
Hawthorn, C. Vernet "Influence de la composition chimique et de
la texture des laitiers sur leur hydraulicité", Bericht des 7.
Internationalen Kongresses über die Chemie von Zementen, Teil II,
Thema III, S. 89 ff., Paris 1980, dargelegte Weise.
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Aus energetischer Sicht ist Luft besser für die Kühlung
der Schmelze als Wasser. Die Luft, die durch die freigesetzte
Wärme beim Abkühlen der abgelassenen Schmelze stark erhitzt
werden kann, kann tatsächlich in unterschiedlichen Weise in dem
Verfahren eingesetzt werden. Unter anderem zum Zwecke der
Vorerwärmung auf eine relativ hohe Temperatur der zu dem
Schmelzgefäß geführten Materialien. Das Ergebnis ist, daß sowohl
die zuzuführende Schmelzenergie herabgesetzt wird und/oder die
Dimensionierung und/oder die Verweildauer des Materials in dem
Gefäß herabgesetzt werden kann. Auf diese Weise kann die Aufgabe
der Erfindung gelöst werden, jedoch bleibt ebenfalls die
Möglichkeit erhalten, die heiße Luft anderweitig zu verwenden.
Das Kühlen der abgelassenen Schmelze mittels Luft hat jedoch
sowohl praktische Nachteile, als auch Nachteile in bezug auf
die Konstruktion. Wie bereits früher angegeben wurde, muß die
Kristallisierung der abgekühlten Schmelze vermieden werden, und
dies läßt sich mit nur der einfachen Luftkühlung schwer bewirken.
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Erfindungsgemäß kann dieses Problem unter Kontrolle
gehalten werden, wenn die abgelassene Schmelze unter
kontrollierten Bedingungen abgekühlt wird, indem sie durch die
Rollen eines Rollenkühlers (Kalanderwalze) geführt wird, bis eine
Temperatur zwischen 500 ºC und 1000 ºC erreicht wird, wonach die
erhärtete Masse gebrochen und weiter mit Luft gekühlt wird. Es
hat sich herausgestellt, daß bei einer Temperatur von etwa 700 ºC
die erhärtete Masse noch keine Anzeichen der Kristallisierung
zeigt.
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Die durch die Kalanderwalze geführte und erhärtete
Schmelze wird deshalb gebrochen und weiter mit Luft in einer dazu
geeigneten Anlage gekühlt. Die Kalanderbearbeitung hat hier so
ihre Vorteile. Das erhärtete Material kann nämlich in ziemlich
einfacher Weise in Teilchen gebrochen werden, die nicht zu fein
sind, sondern die eine relative einheitliche Größe aufweisen und
die sehr geeignet sind, mit Luft gekühlt zu werden.
Die entscheidenden Größen dabei sind:
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a. Die Menge der Luft, die für das gesamte Verfahren
gebraucht wird und durch das Verfahren geführt werden muß, sowie
deren Temperatur;
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b. Die Abmessungen der gebrochenen Festkörperteilchen
nach der Kalanderwalzenbearbeitung;
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c. Selbstverständlich die benutzten Geräte.
Vorzugsweise sind die gebrochenen Teilchen etwa 0,5 bis 1 mm
dick, 5 bis 50 mm lang und 5 bis 20 mm breit. Die vorgenannten
Abmessungen sind unkritisch und sind unter anderem von der
benutzten Kühlanlage abhängig.
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Selbstverständlich besteht erfindungsgemäß das Verfahren
der Umsetzung von Flugasche in eine flüssigkeitsbindende
pulverförmige Substanz, neben der Art und Weise der Kühlung der
Schmelze und der Rückgewinnung von Wärme, die für die
energiesparende Fassung vorgeschlagen wird aus einer Reihe von
Schritten, die im wesentlichen bestehen aus:
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a: Vorbereitung der Flugasche, um geschmolzen und
chemisch behandelt zu werden;
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b: Dem Schmelzen des genannten Materials und dem Kühlen
nach dem in der Erfindung beschriebenen Verfahren;
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c: Mit nachfolgender Behandlung des genannten Materials,
um dem Material die erwünschte Feinheit und andere
Spezifizierungen zu verleihen;
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d: Dem Hinzufügen eines Aktivierungsstoffs,
erwünschtenfalls. Die Vorbereitung kann aus einer Methode bestehen, die in
NL-862103 beschrieben ist, wobei der Kohlenstoff in der
Flugasche verbrennen kann. Die freiwerdende Wärme kann unter
anderem zur Zerlegung von CaCO&sub3; in CaO verwendet werden. Dies
bedeutet nicht, daß eine Heißluftversorgung mit erwärmter
Kühlluft die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens nicht weiter
verbessern wird. Es ist auch möglich, die kalte Flugasche
vorzuerwärmen, beispielsweise in einem Wirbelbett mittels
Heißluft sowie CaCO&sub3;, mit oder ohne dessen Zerlegung in CaO.
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Die Heißlüft kann auch heim Erwärmen der zu schmelzenden Masse
verwendet werden. Das Schmelzgefäß muß dafür angepaßt werden,
was jedoch nicht in den Rahmen dieser Erfindung fällt. In
derselben Weise ist das Vermahlen zu der gewünschten
Spezifizierung der immer noch relativ groben Klumpen oder Splitter der
erhärteten Masse, die unter kontrollierten Umständen aus den
Kühlrollen kommt, eine bekannte Technik. Dies alles schließt
jedoch nicht aus, daß die vorbereitenden Schritte, wie das
letztendliche Verfahren, funktionale Aspekte aufweist, die an
sich neu sind und die im gegenseitigen Zusammenhang stehen wobei
jedoch die Wahl dieser Aspekte relativ frei bleibt.
Die vorliegende Erfindung wird folglich nicht auf einen
wesentlichen Schritt beschränkt, nämlich auf die nicht auf der
Hand liegende Methode der Kühlung der Schmelze in zwei Stufen
unter kontrollierten Bedingungen, Die Kühlung der geschmolzenen
Masse mit Luft, während Kristallisierung durch die Verwendung von
Kühlrollen vermieden wird, und die Wiederverwendung der
freigesetzten Wärme sind wesentlich. Die Kühlung mittels Rollen
wird in GB-1,556,788 genannt, jedoch werden hier wesentlich
andere Rollen gemeint, wie die die in der Glaswollenproduktion
verwendet werden.
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Schließlich merken wir an, daß in der Glasindustrie eine
Glasschmelze durch Kalanderbehandlung zu einer festen Platte
gekühlt werden kann. Es liegt nicht auf der Hand, diese Methode,
deren Technik bekannt ist, zu einem völlig anderen Zweck zu
verwenden, nämlich zur Ermöglichung der nützlichen
Wiederverwendung von Wärme.
Pulverförmiger Stoff, der nach der vorliegenden Erfindung
erhalten wird.
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Die Erfindung betrifft auch einen pulverförmigen Stoff mit
flüssigkeitsbindenden Eigenschaften, wobei der besagte Stoff aus
Flugasche hergestellt wird, die bei kohlegefeuerten Anlagen
freigesetzt wird, wobei die Flugasche geschmolzen und,
erwünschtenfalls, auf die gewünschte chemische Zusammensetzung
gebracht worden ist, wonach die Schmelze abgekühlt und weiter
vermahlen worden ist. Die Erfindung umfaßt insofern das Kühlen,
als das Kühlen der Schmelze durch einen Rollenkühler unter
kontrollierten Bedingungen auf eine Temperatur zwischen 500 ºC
und 1000 ºC beeinflußt wird, wonach das auf diese Weise
behandelte Material gebrochen und weiter mit Luft gekühlt wird
und vermahlen wird, wobei die erwärmte Kühlluft in der Anlage
zur Vorbereitung der Stoffe verwendet wird.
Als Aktivierungsstoff, der an sich notwendig ist und
erwünschtenfalls beigegeben wird, wird ein Stoff verwendet, der eine
alkalische Reaktion ergibt, wie NaOH, Ca(OH)&sub2; oder ein ähnlicher
Stoff.
Zahlenbeispiel der Erfindung
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Die Erfindung wird weiter anhand eines Zahlenbeispiels
erläutert. Gleiche Mengen von 100 % glasartiger geinahlener
Schlacke mit einer Zusammensetzung, wie sie eingangs beschrieben
ist, sind in einem Ofen auf eine hohe Temperatur erwärmt und
verweilten dort jeweils 1, 5 , 15 und 30 Minuten. Die Temperaturen
waren 1100, 900, 800 und 700 ºC. Nachher wurden die Schlacken an
der Luft gekühlt. Insgesamt wurden 16 Proben ausgewertet. Durch
den Aufenthalt der Schmelze in dem Ofen bei hohen Temperaturen
gilt die Temperatur als die Abkühltemperatur zwischen den
Kühlrollen. Die Proben, die 30 Minuten lang auf einer hohen
Temperatur gehalten wurden, wurden alle mit der
Röntgendiffraktionsmethode auf Kristallisierung hin ausgewertet.
Nachdem sie 30 Minuten lang auf 1000 ºC oder 900 ºC gehalten
worden war, stellte sich heraus, daß die geschmolzene Masse
vollständig kristallisiert war; nach einem Aufenthalt bei 800 ºC
stellte sich heraus, daß ein Maximum von 50 % kristallisiert
war, und nach 30 Minuten bei 700 ºC trat keine Kristallisierung
ein. Bei einer visuellen Beurteilung der erhärteten Schmelze
stellte sich außerdem heraus, daß bei 1100ºC die besagte
Schmelze schon ein kristallisiertes Ca-Sillikat-Ansehen hatte,
während bei einer visuellen Beurteilung der Schmelze bei 900 ºC
der Kristallgehalt stark von 1 bis 30 Minuten anstieg.
Unter der Annahme, daß nach einer schnellen Abkühlung der
synthetischen Schmelze zwischen den Kühlrollen die besagte
synthetische Schmelze relativ langsam an der Luft weiter
abkühlt, muß dem Umstand Rechnung getragen werden, daß
insbesondere der Kern über zusätzliche 5 bis 10 Minuten eine höhere
Temperatur behält. Deshalb ist es empfehlenswert, die Ergebnisse
der Kristallisierung nach dreißig Minuten zu benutzen. Dies
bedeutet, daß eine schnelle Abkühlung auf etwa 700 ºC
erforderlich ist, um ein Produkt zu erhalten, daß zu mehr als 98
% glasartig ist. Konkret läßt sich sagen, daß die schnelle
Abkühlung auf die besagten 700 ºC innerhalb von 0,5 bis 30
Minuten geschehen soll. Kühlung an der Luft wird zwischen 0,5
und 5 Stunden erfordern.
Beispiel einer Anlage entsprechend der Erfindung
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Schließlich wird die Erfindung anhand eines Beispiels
einer Anlage für die Durchführung der Verfahren nach der
Erfindung erläutert. Obwohl dieses Beispiel den Kern der
Erfindung umfaßt, ist die vorliegende Erfindung nicht auf das
genannte Beispiel und auf Flugasche beschränkt und es sind
Varianten möglich. Das Beispiel zeigt eine Zeichnung. Nach dieser
Zeichnung wird Flugasche bei 1 einem Lufttrenner 2 zugeliefert,
wo die besagte Flugasche in eine grobe und eine feine Fraktion
getrennt wird, indem mit einer einstellbaren Teilchengröße
getrennt wird, die zwischen 5 µm und 75 µm liegen kann. Die grobe
Fraktion 3 wird zu einem Vorerwärmungssystem 4 geführt und wird
darin auf eine Temperatur von etwa 1000 ºC erhitzt, wobei
weitestgehend Kohlenstoff in der Flugasche als Energieguelle
verwendet wird.
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Ein anderes Grundmaterial, nämlich Kalkstein, wird bei 3
zu dem Vorerwärmungssystem geführt. Die Stoffe werden auf die
angegebene Temperatur erhitzt, wobei der Kalkstein in CaO
umgewandelt wird.
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Ein dafür geeignetes Vorerwärmungssystem ist
möglicherweise ein rotierendes Wirbelbett; andere Systeme, die
die Grundmaterialien erwärmen, sind jedoch ebenfalls möglich. So
ist es möglich, daß die genannten Grundmaterialien, Flugasche und
Kalkstein, in gesonderten Systemen vorerwärmt werden, die zu dein
Zweck geeignet sind.
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Kraftstoff für das Vorerwärmungssystem wird bei 5
zugeführt. Vorerwärmte Verbrennungsluft, die ebenfalls als Medium
für das Wirbelbett dient, wird dem rotierenden Wirbelbett bei 6
zugeführt, mit einer Temperatur von 100 - 600 ºC. Die genannte
Temperatur wird mit einem Wärmetauscher 12 weiter im Verfahren
erzielt.
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Die vorerwärmten Stoffe werden danach bei 7 einem
Schmelzofen 8 zugeführt. In besagtem Schmelzofen 8 werden die
Stoffe in gemischtem Zustand weiter auf eine Temperatur von etwa
1450 ºC erhitzt, wobei sich die Schmelze mit der erforderlichen
Zusammensetzung von 33 - 52 m% CaO, 9 - 25 m% Al&sub2;O&sub3; und 23 - 45
m% SiO&sub2; bildet. Erwünschtenfalls können Ergänzungsstoffe
beigefügt werden, die Al, Si oder Ca enthalten, um die erforderliche
Zusammensetzung zu erhalten. Die Energieversorgung für die
Bildung der Schmelze in dem Schmelzofen 8 ist grundsätzlich
völlig elektrisch; eine Kombination mit Gas-, Öl- oder
Kohlenbrennern ist möglich, oder Erhitzung nur mit Brennern.
Die Schinelze verläßt den Ofen bei 9, mit einer Temperatur von
etwa 1450 ºC und wird dann schnell abgekühlt (geschreckt)
zwischen den Kalanderrollen 10, durch indirekte Kühlung mit
Wasser. Wie bereits früher angemerkt ist dieser Schritt sehr
wichtig, um Kristallisierung in dem abgekühlten Material zu
vermeiden und das anschließende Brechen zu ermöglichen. Je nach
der Zusammensetzung liegt die zu erreichende Temperatur nach dem
Kühlen zwischen 500 - 1000 ºC, vorzugsweise bei 700 ºC.
Bei 11 verläßt die erhärtete Masse den Rollenkühler als eine
glasartige Platte mit einer Dicke zwischen 0,5 und einigen mm,
und wird danach in einer kontinuierlich funktionierenden
Brechanlage zu Splittern mit Abmessungen von 0,5 - 1 mm Dicke,
5-20 mm Länge und 5 - 20 mm Breite gebrochen. Danach werden die
genannten Glassplitter weiter direkt mit Luft in einem
Wärmetauscher 13 gekühlt, der zu dein Zweck geeignet ist. Zu
diesem Zweck geeignete Systeme sind beispielsweise ein
Feststoff-Wärmetauscher oder ein geschlossener Schwing-Beschicker.
Die Kühlluft 13 A wird dabei auf eine Temperatur zwischen 100 ºC
und 600 ºC erhitzt. Diese vorerwärmte Luft wird danach bei 6 dem
Vorerwärmungssystem zugeführt, was einen positiven Effekt auf den
Energieverbrauch des Systems hat.
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Die Glassplitter verlassen den Wärmetauscher bei 14 mit
einer Temperatur von etwa 50 ºC und werden bei 15 einem
geeigneten Vermahlsystem 16 zugeführt, um so vermahlen zu werden,
bis die gewünschte Feinheit von 7500 cm²/Gramm erreicht worden
ist. Zu diesem Zweck geeignete Vermahlsysteme sind beispielsweise
Rollen- oder Kugelmühlen oder eine Kombination daraus, die mit
einem Lufttrenner versehen sind, um den vermahlenen Stoff mit
der gewünschten Teilchengröße selektieren zu können. Der
gemahlene Stoff wird danach mit der feinen Fraktion der
Flugasche und mit einem oder mehreren Aktivierungsstoffen in einem
Feststoffmischer 17 vermischt. Das Gemisch wird danach in
Lagersilos 18 gelagert und kann von dort als Endprodukt 20
geliefert werden, als Schüttgutprodukt oder von einer
Verpakkungsanlage in Säcken abgefüllt.
Schließlich merken wir an, daß das vorgenannte Schmeizgefäß
einen rotierenden Ofen enthalten kann.