WO2015154109A1 - Verfahren und vorrichtung zum granulieren und zerkleinern von schmelzflüssigem material - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for granulating and comminuting molten material, such as e.g. Blast furnace slags, as well as an apparatus for carrying out this method.
  • molten material such as e.g. Blast furnace slags
  • Molten blast furnace slag is usually granulated with water with the aid of 10 to obtain an amorphous product
  • the energy initially contained is essentially used to store the originally contained energy in the form of the metastable glass phase of the final product and to prevent its transformation into a stable crystalline state.
  • WO 2012/034897 A2 a dry granulation process is described in which the slag is first filled in a molten state into a trough. In the slag bath then metal balls are filled, which solidify the slag. The solid slag-metal ball cake is finally broken into pieces, thereby recycling balls from the cake and further crushing and solidifying the pieces.
  • AT 407525 B describes a process in which molten slag is introduced into a pressure-resistant granulation chamber containing a water bath, wherein the slag granules which form are withdrawn together with wet steam and passed into a mill in which the granules are comminuted using a grinding media bed.
  • MahlSystem can be present as a fluidized bed or as a fixed bed.
  • Granulatable minerals are not only produced as blast furnace slag, but generally in metallurgy, in the alumina melting and portland clinker cement production,. in the production of synthetic slags (marl slag, RecoDust, Reco-Phos, RecoResh) and in the environmental technology.
  • Mineral melts for example blast furnace slags, must be cooled extremely rapidly (about 10 3 K / sec) below their recrystallization point (between about 600 and 850 ° C., depending on their basicity) in order to obtain a cement-containing amorphous product. Below this recrystallization temperature, the extent can be found with a much lower cooling gradient. Quench tests with water in the high temperature range have not led to any success, since the ratio water / melt flow is not technically feasible to reach a target temperature of 600 - 850 ° C.
  • the invention now aims to provide a method of the type mentioned above, with which it is possible to use the melting heat of slags thermodynamically much better and to reduce the specific grinding work. Furthermore, it should be possible in a simple manner to quench the feed below the recrystallization temperature.
  • the otherwise non-granulatable slags in particular slags with a high basicity (CaO / SiO 2 ratio) of> 1.5 and steelworks slags, should also be processable.
  • the invention according to a first aspect provides, in a method of the type initially mentioned, that the molten material is introduced into a grinding mill mill and quenched in contact with metallic grinding bodies of the grinding mill mill, and the stared material particles are ground by the action of grinding media.
  • the solidifying melt particles are comminuted by the grinding action of the grinding bodies, which likewise causes an enlargement of the surface available for heat transfer.
  • the simultaneous quenching and comminution by the grinding media also means that a substantial part of the comminution work already takes place in the molten state, so that the specific grinding work in the solid state reduces to about half compared to comminution.
  • the process according to the invention is particularly suitable for the granulation and comminution of blast furnace slags, marl slags or synthetic slags.
  • Mergel slag is understood to mean a melt which is obtained by Drying, preheating and calcining clayey marl or a mixture of marl and clay with a basicity of ⁇ 2.0 and then melting the product obtained in a separate melting furnace at higher temperatures than in the first stage of the process. Reference is made, for example, to WO 2001/046081 A2.
  • Synthetic slags are hereby understood to mean slags which are formed in the processing of metallurgical dusts or grinding dusts, in particular converter and electric arc dusts from steel or stainless steel production, or of sewage sludge.
  • slags which are formed in the processing of metallurgical dusts or grinding dusts, in particular converter and electric arc dusts from steel or stainless steel production, or of sewage sludge.
  • WO 2012/065798 A2 In connection with the processing of sewage sludge, reference is made to WO 2012/065798 A2.
  • the process according to the invention is also particularly suitable for the granulation and comminution of steelworks slags.
  • steelworks slag as well as the risk of explosion is avoided; it forms highly reactive, very fine-grained alite (C3S) and belite (C2S), the iron oxide and possibly chromium oxide-rich fraction can then be removed by magnetic separation.
  • C3S very fine-grained alite
  • C2S belite
  • the high, very disturbing magnesium oxide content of the steelworks slag combines with the iron oxide-rich fraction under spinel formation and is thus also deposited.
  • This iron oxide-rich fraction can advantageously be used in the blast furnace (sinter plant) as artificial ore, since there is practically no phosphorus.
  • a mixture of such processed blast furnace and steelworks slags is superior to the known composite and cement cements in terms of cement technology.
  • a preferred method provides that the molten material in contact with the grinding media is quenched to a temperature below the recrystallization temperature of the material.
  • the molten material is in contact with brought the Mahl Eisenn to a temperature of 600 - 850 ° C, in particular with a cooling rate of at least 10 3 K / sec.
  • a further preferred procedure provides that metal balls, in particular steel balls, whose diameter is preferably at least 15 mm, in particular at least 20 mm, are used as grinding bodies. In this way, the balls provide sufficient mass to ensure the required grinding performance.
  • all metal balls can be the same size.
  • an optimization of the grinding action can preferably be achieved by the metal balls having a predetermined size distribution. In this case, a size bandwidth is preferred in which the ball diameter is between 15 and 30 mm.
  • the method is preferably developed in such a way that the metal balls are set in motion to form a moving ball bed.
  • the formation of the moving ball bed can be done here in various ways.
  • the balls may be moved by the action of the flow of a gaseous medium, such as air or steam.
  • the movement of the metal balls can be produced by the balls being set in motion by moving drivers, for example by a stirrer, blades, guide plates or the like.
  • the grinding chamber of a rotating driven drum be formed on the wall, the balls rise and fall down due to gravity thereafter.
  • the invention preferably provides for the grinding media mill to be in the form of a ball mill, tumble mill, drum mill, tube mill, stirred ball mill or sieve drum mill.
  • media and media are moved in the ball mill. This results in collisions between the grinding bodies with each other and between grinding media and walls. The ground material is crushed when it is between the bodies. The comminution of the particles is thus done by impact, shear and impact stress.
  • the media mill may in this case be designed so that it has at least two adjoining each other in the axial direction grinding chambers, which are connected by a sieve with each other, and whose grinding media are sized so that in each grinding chamber to the previous grinding chamber higher Mahlfhard is achieved.
  • Mahlfö a Mühlekaska ⁇ de conceivable.
  • the grinding media In order that the grinding media can provide a constant cooling capacity even during continuous operation of the media mill, the media must be cooled continuously, preferably to a temperature below the recrystallization temperature of the molten material used. In particular, the grinding media are cooled to a temperature of 100-300 ° C.
  • the grinding media are cooled continuously in the interior of the grinding media mill.
  • the cooling of the grinding media is preferably carried out in this case by a endother ⁇ men process, such as by evaporating into the grinding Body mill incorporated water.
  • the cooling takes place here by the heat of vaporization at the surface of the grinding media.
  • the cooling power required for quenching the molten material is thus provided indirectly by evaporation heat.
  • the method according to the invention is comparable with other methods of the prior art, which also - for example by quenching in liquid water or by atomizing the melt with water or wet steam - use the heat of evaporation of water.
  • the grinding bodies are used as "intermediate carriers" which provide the required heat capacity and thermal conductivity, the required surface and the volume required to increase the heat transfer Heat of vaporization of the water cooled and take on the other hand, the corresponding amount of heat on the other hand in contact with the molten material for cooling the same again.
  • Another advantage of water vapor cooling is that the expanding water vapor supports the grinding work.
  • a first alternative envisages that the water in the grinding chamber of the grinding media mill is injected from above onto the grinding media. The water evaporates in contact with the grinding media and cools them in this way.
  • a second alternative is the provision of a water bath in the Grinding chamber into which at least a part of the grinding media dips.
  • the further alternative provides that water or steam is introduced via a plurality of openings in the grinding chamber of the grinding media mill, which are formed in an inner jacket bounding the grinding chamber.
  • the mill is in this case preferably double-walled, wherein an annular cavity is formed between the inner casing and an outer casing, which can be charged with water. This forms a water bath whose level is chosen so that a lower portion of the grinding media bed is arranged in a water bath. Due to the effect of heat, the water contained in the annular cavity is brought to evaporate and enters via the openings formed in the inner shell into the grinding chamber, where the required heat of evaporation removes heat from the grinding bodies and cools them.
  • the apertures can be designed to converge towards the grinding chamber in cross-section or to form nozzles, in particular slot dies extending over the axial length of the grinding chamber, which results in a pressure distribution and therefore in a uniformization of the water or steam inlet leads the grinding room.
  • a preferred side effect of the introduction of water or steam over the perforated inner jacket lies in the fact that the grinding bodies can be caused to vibrate thereby, which improves the grinding effect and reduces the occurrence of the Leidenfrost effect.
  • An effect of evaporative cooling is also that the resulting vapor serves as a driving medium for discharging the ground particles.
  • additional propellant in particular motive steam and / or compressed air, is introduced into the grinding chamber via the discharge opening of the media mill.
  • a second preferred method for cooling the grinding media it is provided that the grinding media is continuously discharged from the grinding media mill, cooled and then reintroduced into the grinding media mill.
  • the grinding media are cooled outside of the grinding media mill.
  • the media are preferably brought to a temperature of 20-140 ° C before being reintroduced into the media mill.
  • the heated media can be used to heat independent process gases or process fluids.
  • the heat transfer can take place in any heat exchangers.
  • the grinding media are introduced into a shaft-like device and cooled there by passing cold air.
  • the process according to the invention can work batchwise or continuously. Accordingly, the entry of the molten material and the discharge of the ground material particles take place at intervals or continuously. A continuous procedure is preferred. It is preferably provided that the ground material particles are discharged in powder or dust form with a temperature of 600-800 ° C from the MahlSystemmühle.
  • the discharge of the ground particles from the grinding chamber takes place in different ways, depending on the desired grinding fineness. If coarse material is to be discharged, this can be done by means of its own coarse material discharge at the bottom of the mill, as is the case with conventional ball mills using a diaphragm or sieve at the opening.
  • the ground particles can be discharged together with hot air or superheated steam, depending on whether the cooling of the grinding media in the grinding chamber takes place by means of heat of evaporation or in an external grinding medium cycle.
  • the method is preferably carried out in such a way that the milled material particles are discharged in a mixture with superheated steam and / or hot air and the material particles are separated off from superheated steam or hot air in a separator.
  • the discharge of the material particles / hot steam mixture takes place in the case of internal cooling of the grinding media by means of steam so that the grinding media remain in the mill.
  • the enthalpy of the superheated steam can be exer- tically used here.
  • an advantageous method procedure provides that the material particle / superheated steam mixture before the separator is e.g. is cooled in a heat exchanger to a temperature of 200-400 ° C.
  • the separated in the separator superheated steam can be fed to a condensation, the condensate of the grinding media mill can be fed in turn as a cooling medium.
  • the condenser can in this case be operated, for example, as a feedwater pre-heater. Any combustible gases (H 2 , H 2 S, CO, etc.) formed in the grinding chamber can also be used, either after steam condensation or by simultaneous combustion.
  • the inventive method is also advantageous in terms of halogen problem. Melting with fluoride and chloride contents is pyrolyzed by the steam and temperature regime, ie the halogens are converted into the corresponding acid anhydrites (HF, HCl) and thus removed from the corresponding slags: CaF 2 + H 2 0 - > CaO + 2 HF. The free lime formed reacts immediately with the acidic slag components (Si0 2 , Al2O3).
  • an apparatus for performing the method according to the invention comprising a filled with metallic grinding media grinding media mill with an entry port for molten material and a Austragso réelle for the ground solidified material particles.
  • the grinding body mill preferably has a housing formed by a drum which can be driven in rotation and is designed in particular as a ball mill, tumbling mill, drum mill, tube mill or sieve drum mill.
  • the grinding media are advantageously formed by metal balls, in particular steel balls, whose diameter is preferably at least 15 mm, in particular at least 20 mm.
  • the grinding media mill comprises a grinding chamber delimiting W
  • annular space is divided by axial dividing walls into a plurality of chambers which can be filled with water.
  • a favorable initial division of the molten material results when the molten material feed opening is located radially outward of the axis of rotation of the media mill and the direction of rotation of the media mill is selected to move the media disposed in the bottom area of the mill toward the entry port.
  • the molten material is introduced into the area of the mill, in which the grinding media are pulled upwards on the drum wall, so that it is equally divided during the subsequent falling down of the grinding media.
  • a spraying device directed towards the grinding media for water which is connected to a water feed, is arranged in the interior of the grinding media mill.
  • an external cooling device for the grinding media can be connected to the discharge opening of the mill.
  • the discharge opening is arranged coaxially to the axis of rotation of the grinding media mill, which brings constructive advantages.
  • the discharge opening is connected to a separator for separating the ground material particles from hot air and / or superheated steam.
  • the separator may be preceded by a heat exchanger in order to remove the material particles / superheated steam. Cool material particles / hot air mixture. As a result, the hot steam can be used energetically.
  • a further thermal utilization is made possible by the fact that the hot steam discharge of the separator is connected to a condenser whose condensate discharge feeds the water inlet for the spraying device or the water feed annular chamber. At the same time thereby a circulation of the water is made possible.
  • FIG. 2 shows a longitudinal section of the device according to FIG. 1
  • FIG. 3 shows an enlarged detail of the device according to FIGS. 1 and 2
  • FIG. 4 shows a circuit diagram of a granulating device according to FIG Fig. 1 and 2 integrating system
  • Fig. 5 shows an alternative embodiment of the system.
  • a ball mill 1 is shown in cross section, the cylindrical drum 2 is rotatably mounted about the rotation axis 3. In operation, the drum 2 is turned into rotation Direction of the arrow 4 driven.
  • the drum 2 has an outer casing 5 and an inner shell 7 delimiting the grinding chamber 6. Between the outer shell 5 and the inner shell 7, an annular cavity 8 is formed, which is connected via a plurality of regularly distributed over the circumference of the grinding chamber 6, preferably slot-shaped openings 9 with the grinding chamber 6.
  • the slag entry 10 Coaxially to the axis of rotation 3 opens a slag entry 10 into the grinding chamber 6, wherein the slag entry has a centrally disposed inside the grinding chamber 6 slag tundish 11, the slot-shaped entry opening 12 extends in the axial direction of the drum 2 and is disposed eccentrically within the grinding chamber 6 ,
  • the drum 2 has, on the side opposite the slag entry 10, a discharge opening 13 which is coaxial with the axis of rotation 3 and to which a discharge line 14 is connected (FIG. 2).
  • spray openings are directed downwards.
  • a metal ball bed 16 is provided, the metal, in particular steel balls, the grinding body of the ball mill 1 form.
  • the metal balls are in the operation of the ball mill 1 by the rotating in the direction of arrow 4 drum 2 as shown in Fig. 1 taken upwards (arrow 17) and fall after reaching a critical height due to gravity back down (arrow 18) ,
  • the ball mill 1 as indicated at 19, water passed into a arranged in the drum 2 water inlet annular chamber 20 which is separated by a diaphragm 21 from the grinding chamber 6.
  • the diaphragm 21 is liquid-permeable only in the area of the water inlet ring chamber 20, so that the water inlet ring chamber 20 feeds a water bath 22 formed in the grinding chamber 6, which always lies in the bottom area of the drum
  • the water of the water bath 22 fills the annular cavity 8 between the outer shell 5 and the inner shell 7 of the drum 2.
  • the annular cavity 8 has a plurality of dividing walls 23 extending in the axial direction of the drum 2, so that a large number of chambers 24 adjoining one another in the circumferential direction are formed in the annular cavity 8.
  • Each chamber 24 is in this case connected via a slot-shaped opening 9 with the grinding chamber 6, wherein the slot-shaped openings 9 to the grinding chamber 6 toward converging walls 25 have, so that there is a nozzle effect.
  • blast furnace slag 26 at a temperature of 1300-1600 ° C. is introduced into the grinding chamber 6 via the slag tundish 11, the blast furnace slag 26 reaching the ball bed 16, which has a temperature of at most 400-600 ° C. , The slag is abruptly cooled on the surface of the metal balls of the ball bed 16. At the same time, due to the movement of the balls, the slag is divided into solidifying particles. The solidifying particles are further comminuted by the grinding effect of the ball bed 16 until they have a minimum upper grain boundary of, for example, 60 pm in order to be able to be discharged from the ball mill 1.
  • the particles are cooled in the ball mill 1 so far that they at discharge a temperature of 600 - 800 ° C or lower.
  • the ball mill 1 can in this case be designed such that it has at least two mutually adjoining grinding chambers in the axial direction, which communicate with one another by a screening device, and whose grinding bodies are dimensioned such that a grinding fineness higher in each grinding chamber is achieved compared to the preceding grinding chamber becomes.
  • a mill cascade is conceivable. The longer the residence time of the particles in the mill, the deeper the ground particles are cooled, so that the exergetic utilization can be further improved.
  • FIG. 4 shows a plant scheme for the further treatment of the ground slag particles.
  • the ball mill is again denoted by 1.
  • the discharged from the ball mill 1 hot steam / dust mixture is supplied at a temperature of about 600- 800 ° C a heat exchanger 27, which may be formed, for example, as a steam generator.
  • the superheated steam / dust mixture is cooled, for example, to a temperature of 150-250 ° C., whereby no condensation of the superheated steam takes place.
  • the cooled hot steam / dust mixture is fed to a separator 28, in which the slag powder 29 is separated from the steam 31.
  • the slag powder 29 can be dried in the sequence with dry air 30, wherein the air also serves to further promote the slag powder.
  • the steam 31 is supplied to a condenser 32, which may serve, for example, as a feedwater pre-heater.
  • the condensate leaving the condenser 32 can be collected in a condensate tank 33 and, if necessary, fed to the ball mill 1 via 19. If a lower pressure is set at the point 34 than at the point 35, the resulting pressure difference is used to promote the superheated steam / dust mixture, so that can be dispensed with ventilation devices. While in the embodiment according to FIG.
  • the balls serving as grinding bodies in the ball mill 4 are cooled internally, ie in the grinding chamber 6, in the embodiment according to FIG. 5 an external ball cycle is provided.
  • the balls are discharged together with the hot air / slag particle mixture via the discharge opening 13 from the grinding chamber 6 of the ball mill 1. Due to gravity, the balls fall together with most of the ground material into a shaft ball cooler 36, which is charged with cold air 37 for cooling the balls. At Place of cold air can be injected for the cooling water and water, the heat of vaporization is used.
  • the balls sink down inside the shaft ball cooler 36 and are discharged via the lock 38 into a separating device 39.
  • the balls are separated from slag powder, wherein the separating device 39 may be formed, for example, as a sieve, air classifier or the like.
  • the separated slag particles are discharged at 40 and the liberated from slag particles and cooled to a temperature of about 20-140 ° C balls at 41.
  • the cooled balls are the ball mill on the entry port 10 abandoned.
  • the balls and the molten slag are placed on the same side of the ball mill 1 and pass through the ball mill 1 in the same flow.
  • the mixture of hot air and the finer fraction of the slag particles emerging from the grinding chamber 6 of the ball mill 1 via the discharge opening 13 reaches the region of the shaft 36 above the discharge opening.
  • the mixture can above the discharge opening lying region of the shaft have a cross-sectional widening, so that the flow velocity is reduced.
  • the hot air / slag dust mixture is fed to a hot dust separator 42, from which dedusted hot air (600-800 ° C) at 43 and hot slag powder at 44 (600-800 ° C) is removed.
  • the hot air 43 can be supplied to a further energy recovery.
  • the hot slag powder can, as indicated at 45, be fed to the shaft ball cooler 36.
  • a hot gas screw conveyor can be used.

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Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Granulieren und Zerkleinern von schmelzflüssigem Material, wie z.B. Hochofenschlacken (26), wird das schmelzflüssige Material in eine Mahlkörpermühle (1) eingebracht und im Kontakt mit metallischen Mahlkörpern der Mahlkörpermühle (1) abgeschreckt, wobei die erstarrten Materialpartikel durch die Wirkung der Mahlkörper gemahlen werden.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM GRANULIEREN UND ZERKLEINERN VON SCHMELZFLÜSSIGEM MATERIAL
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Granulieren 5 und Zerkleinern von schmelzflüssigem Material, wie z.B. Hochofenschlacken, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens .
Schmelzflüssige Hochofenschlacke wird üblicherweise mit Hilfe 10 von Wasser granuliert, um ein amorphes Produkt zu erhalten,
welches in der Glasphase, d.h. einer metastabilen Phase erstarrt. Nach einem Mahlvorgang kann ein derartiges Produkt als hydraulisch aktive Komponente Zementen zugemischt werden. Die Schmelzwärme des Schmelzflusses wird bei einer derartigen Ver- 15 fahrensweise in eine Niedertemperaturwärme von Wasser übergeführt und ist nicht weiter nutzbar.
Auch bei der Abkühlung von schmelzflüssigen Stahlschlacken wird üblicherweise die Wärme über Strahlungs- und Konvektionsvorgän- 20 ge mit der Umgebungsluft gekühlt. Auch eine derartige Abwärme
ist technisch nicht ohne weiteres nutzbar.
Insgesamt wird bei diesen Granulations- bzw. Abkühlverfahren .
für Schlacken die Schlackenschmelzwärme thermodynamisch und
25 technisch nur zu einem überaus geringen Bruchteil ausgenützt,
wobei die ursprünglich enthaltene Energie im wesentlichen dafür verwendet wird, die ursprünglich enthaltene Energie in Form der metastabilen Glasphase des Endproduktes zu speichern, und eine Umwandlung in einen stabilen kristallinen Zustand zu verhin-
30 dern.
Um die Schmelzwärme von Schlacken thermodynamisch wesentlich besser nutzen zu können, sind für das Granulieren und Zerklei- nern von flüssigen Schlackenschmelzen eine Reihe von Verfahren vorgeschlagen worden, bei welchen die flüssigen Schlackenpartikel mit einem Treibstoff in eine Kühl- bzw. Expansionskammer ausgestoßen wurden und mit Wasser oder Wasserdampf beaufschlagt wurden, sodass eine rasche Abkühlung und glasige Erstarrung der Schmelzen erreicht wurde. Derartige Verfahren sind beispielsweise der AT-B 405 511, der EP 683 824 oder der EP 963 447 zu entnehmen. Zur Kühlung wurde unter anderem bereits vorgeschlagen, Kohlenwasserstoffe in die Kühl- bzw. Expansionskammer ein- zustoßen, wodurch der Temperaturgradient der Abkühlung wesentlich gesteigert werden und gleichzeitig die fühlbare Wärme der Schlackenschmelze als chemische Energie gespeichert werden konnte. Als Treibstrahl für den Ausstoß von flüssigen Schlackenschmelzen wurden neben Wasser und Wasserdampf auch heiße Verbrennungsabgase vorgeschlagen.
Verschiedene Verfahren zum Granulieren und Zerkleinern von Hochofenschlacke nutzen feste Partikel als Kühlmedium zum Abschrecken der schmelzflüssigen Schlacke. So ist beim Gegenstand der EP 464967 AI eine im Wesentlichen aus einem körnigen Trägermaterial, nämlich Sand, bestehende Wirbelschicht vorgesehen, deren Temperatur unter der Erstarrungstemperatur der Schlacke gehalten wird. Die entsprechende Kühleinrichtung wird von einer im Mantel des doppelwandigen, das Wirbelbett aufnehmenden Be- hältnisses ausgebildeten Wasserkühlung gebildet. Beim Einbringen der schmelzflüssigen Schlacke auf das Wirbelbett zerteilt sich diese aufgrund der Bewegung des körnigen Trägermaterials in kleine Partikel, die in der Wirbelschicht absinken und sich verfestigen. Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist die zu ge- ringe Kühlgeschwindigkeit, sodass die Schlacke nur unter die Erstarrungstemperatur, nicht aber unter den Rekristallisationspunkt gebracht werden kann. Außerdem gestaltet sich die Abtren- nung der erhaltenen Partikel vom Sand der Wirbelschicht sehr aufwändig.
In der WO 2012/034897 A2 ist ein Trockengranulierverfahren be- schrieben, bei dem die Schlacke im schmelzflüssigen Zustand zuerst in einen Trog gefüllt wird. In das Schlackebad werden dann Metallkugeln gefüllt, welche die Schlacke erstarren lassen. Der feste Schlacke-Metallkugel-Kuchen wird abschließend in Stücke gebrochen, die dabei aus dem Kuchen ausfallenden Kugeln rezykliert und die Stücke weiter zerkleinert und verfestigt.
Die AT 407525 B beschreibt ein Verfahren, bei dem schmelzflüssige Schlacke in einen ein Wasserbad enthaltenden druckfesten Granulierraum eingebracht wird, wobei das sich bildende Schlackengranulat gemeinsam mit Nassdampf abgezogen und in eine Mühle geleitet wird, in der das Granulat unter Verwendung einer Mahlkörperschüttung zerkleinert wird. Die Mahlkörperschüttung kann als Fließbett oder als Festbett vorliegen. Granulierbare Mineralstoffe fallen nicht nur als Hochofenschlacke an, sondern generell in der Metallurgie, in der Tonerdeschmelz- und Portlandklinker-Zementherstellung, . in der Herstellung synthetischer Schlacken (Mergelschlacke, RecoDust, Reco- Phos, RecoResh) und in der ümwelttechnik . Diese Mineralstoff- mengen fallen auf hohem Temperaturniveau an und stellen daher große Enthalpieströme mit geringer Entropie/hoher Exergie dar, sodass sie energetisch überaus wertvoll sind. Diese Energieflüsse werden bis dato praktisch nicht ausgenützt. Schmelzflüssige Hochofenschlacke z.B. fällt bei etwa 1500°C mit einem Energieinhalt von ca. 0,5 MWh/t an. Weltweit fallen jährlich etwa 350 mio t an, entsprechend einem thermischen Energieinhalt von 175.000 GWh (therm). Dieses Energieangebot wird bis jetzt nicht ausgenützt, da entsprechend rasch gekühlt werden muss, um zementgängiges amorphes Material zu erhalten (Granulation in Wasserbad) . Ähnlich verhält es sich mit Stahlwerksschlacke, Schlacken aus der Nichteisenmetallurgie, Zementklin- ker und Müllverbrennungsrückständen.
Mineralische Schmelzen, beispielsweise Hochofenschlacken, müssen extrem rasch (etwa 103K/sec) unter deren Rekristallisationspunkt (je nach Basizität zwischen etwa 600 und 850°C) gekühlt werden, um ein zementgängiges amorphes Produkt zu erhalten. Unter dieser Rekristallisationstemperatur kann mit einem wesentlich geringeren Kühlgradienten das. Auslangen gefunden werden. Quenchversuche mit Wasser haben im Hochtemperaturbereich zu keinem Erfolg geführt, da das Verhältnis Wasser-/Schmelze- Fluss technisch nicht darstellbar ist, um zu einer Zieltemperatur von 600 - 850°C zu gelangen.
Die Erfindung zielt nun darauf ab, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem es gelingt, die Schmelz- wärme von Schlacken thermodynamxsch wesentlich besser zu nutzen und die spezifische Mahlarbeit zu reduzieren. Weiters soll es in einfacher Weise gelingen, das Einsatzmaterial unter die Rekristallisationstemperatur abzuschrecken. Außerdem sollen auch die sonst nicht granulierbaren Schlacken, insbesondere Schla- cken mit einer hohen Basizität (CaO/Si02-Verhälntis ) von > 1,5 und Stahlwerksschlacken, verarbeitbar sein.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung gemäß einem ersten Aspekt bei einem Verfahren der eingangs genannten Art im Wesentlichen vor, dass das schmelzflüssige Material in eine Mahlkörpermühle eingebracht und im Kontakt mit metallischen Mahlkörpern der Mahlkörpermühle abgeschreckt wird und die er- starrten Materialpartikel durch die Wirkung der Mahlkörper gemahlen werden.
Auf Grund der Abschreckung des schmelzflüssigen Materials an metallischen Mahlkörpern gelingt eine überaus rasche Abkühlung der Schmelze unter die Rekristallisationstemperatur, sodass ein hydraulisch aktives, amorphes Produkt mit besonders hoher zementtechnologischer Aktivität entsteht. Die rasche Abkühlung wird dadurch erreicht, dass die metallischen Mahlkörper eine überaus große Oberfläche zur Verfügung stellen, sodass beim Kontakt der Schmelze eine rasche Vergrößerung der spezifischen Oberfläche des Schmelzevolumens stattfindet, um die Wärme möglichst rasch abführen zu können. Ein weiterer Grund für die rasche Abkühlung liegt in der hohen Wärmespeicherzahl, d.h. der auf das Volumen bezogenen Wärmekapazität, der Mahlkörper auf Grund deren Materials, nämlich Metall.
Gleichzeitig werden die erstarrenden Schmelzepartikel durch die mahlende Wirkung der Mahlkörper zerkleinert, wodurch ebenfalls eine Vergrößerung der für die Wärmeübertragung zur Verfügung stehenden Oberfläche stattfindet.
Die gleichzeitige Abschreckung und Zerkleinerung durch die Mahlkörper führt weiters dazu, dass bereits ein wesentlicher Teil der Zerkleinerungsarbeit im schmelzflüssigen Zustand stattfindet, sodass sich die spezifische Mahlarbeit im Vergleich zur Zerkleinerung im festen Zustand auf etwa die Hälfte reduziert . Besonders geeignet ist das erfindungsgemäße Verfahren für die Granulation und Zerkleinerung von Hochofenschlacken, Mergelschlacken oder synthetischen Schlacken. Unter Mergelschlacke wird hierbei eine Schmelze verstanden, die erhalten wird durch Trocknen, Vorwärmen und Kalzinieren von tonigem Mergel oder einer Mischung aus Mergel und Ton mit einer Basizität von <2,0 und durch anschließendes Schmelzen des erhaltenen Produkts in einem gesonderten Schmelzofen bei höheren Temperaturen als in der ersten Verfahrensstufe. Hierzu wird beispielsweise auf die WO 2001/046081 A2 verwiesen.
Unter synthetischen Schlacken werden hierbei Schlacken verstanden, die bei der Aufarbeitung von metallurgischen Stäuben oder Schleifstäuben, insbesondere Konverter- und Lichtbogenofenstäu- ben aus der Stahl- oder Edelstahlerzeugung, oder von Klärschlämmen entstehen. In diesem Zusammenhang wird beispielsweise auf das Verfahren gemäß der WO 2007/068025 A2 verwiesen, bei dem die Stäube aus der Stahl- oder Edelstahlerzeugung in einem Schmelzbrenner mit Sauerstoff unter oxidierenden Bedingungen verbrannt und verschlackt werden und die gebildete Schlacke in einen induktiv beheizten Reduktionsofen mit einer Koksschüttung eingebracht und eine ausreduzierte Schlacke erhalten wird. Im Zusammenhang mit der Verarbeitung von Klärschlämmen wird auf die WO 2012/065798 A2 verwiesen.
Hinsichtlich der zementtechnologischen Eignung der durch das erfindungsgemäße Verfahren erhaltenen granulierten und gemahlenen Schlacke wurde beobachtet, dass diese überraschend eine bis zu 35% höhere zementtechnologische Aktivität aufweist. Dies dürfte folgenden Umständen zu verdanken sein: Die Schlackenschmelze wird schlagartig an den kalten Mahlkörpern abgekühlt (gequencht) und kommt daher nicht in Kontakt mit flüssigem Wasser, welches zur bekannten Vorhydratation von zementtechnolo- gisch hydraulisch aktiven amorphen Schlacken führt (C-S-H- Phasenbildung) . Darüber hinaus aktiviert der im Mahlraum ggf. vorhandene stark überhitzte, drucklose Wasserdampf das zementtechnologische Potential. Die oben beschriebene Mahlwirkung der Mahlkörper, insbesondere die durch diese hervorgerufenen Scherkräfte, vermindern die molekularen Nahordnungszustände signifikant, was zur weiteren Erhöhung des metastabilen Systemzustandes der Schlacke führt. Insbesondere kann eine starke und sehr vorteilhafte Erhöhung der Schlackenzement-Frühfestigkeit festgestellt werden. Somit kann der Zementklinkeranteil von Mischzementen drastisch gesenkt werden und auch die sehr vorteilhafte klinkerfreie, sulfatische Zementanregung („Sulfathüttenzement") durchgeführt werden.
Besonders geeignet ist das erfindungsgemäße Verfahren auch für die Granulierung und Zerkleinerung von Stahlwerksschlacken. Bei Stahlwerksschlacken wird so auch das Explosionsrisiko vermieden; es bildet sich hochreaktiver, sehr feinkörniger Alit (C3S) und Belit (C2S) , wobei die eisenoxid- und ggf. chromoxid-reiche Fraktion anschließend durch Magnetscheidung entfernt werden kann. Der hohe, sehr störende Magnesiumoxidanteil der Stahlwerksschlacke verbindet sich mit der eisenoxidreichen Fraktion unter Spinelbildung und wird so ebenfalls abgeschieden. Diese eisenoxidreiche Fraktion kann vorteilhafterweise im Hochofen (Sinteranlage) als künstliches Erz eingesetzt werden, da hier praktisch kein Phosphor vorhanden ist.
Eine Mischung aus derartig aufgearbeiteten Hochofen- und Stahl- werksschlacken ist den bekannten Misch- und Kompositzementen zementtechnologisch überlegen.
Um die oben beschriebenen vorteilhaften zementtechnologischen Eigenschaften sicherzustellen, sieht eine bevorzugte Verfah- rensführung vor, dass das schmelzflüssige Material im Kontakt mit den Mahlkörpern auf eine unterhalb der Rekristallisationstemperatur des Materials liegende Temperatur abgeschreckt wird. Insbesondere wird das schmelzflüssige Material im Kontakt mit den Mahlkörpern auf eine Temperatur von 600 - 850 °C gebracht, und zwar insbesondere mit einer Kühlgeschwindigkeit von mindestens 103 K/sec. Eine weitere bevorzugte Verfahrensführung sieht vor, dass als Mahlkörper Metallkugeln, insbesondere Stahlkugeln, eingesetzt werden, deren Durchmesser bevorzugt mindestens 15mm, insbesondere mindestens 20mm, beträgt. Auf diese Weise stellen die Kugeln eine ausreichende Masse zur Verfügung, um die geforderte Mahlleistung sicherzustellen. Weiters wird dadurch eine einfache größenmäßige Unterscheidung zwischen den Mahlkörpern und dem gemahlenen Einsatzmaterial ermöglicht, was z.B. nachfolgende Trennungsschritte erleichtert. Grundsätzlich können alle Metallkugeln die gleiche Größe aufweisen. Eine Optimierung der Mahlwirkung kann bevorzugt jedoch dadurch erreicht werden, dass die Metallkugeln eine vorbestimmte Größenverteilung aufweisen. Dabei ist eine Größenbandbreite bevorzugt, bei welcher der Kugeldurchmesser zwischen 15 und 30 mm liegt.
Um eine effiziente Mahlwirkung zu gewährleisten, ist das Verfahren bevorzugt derart weitergebildet, dass die Metallkugeln zur Ausbildung eines bewegten Kugelbetts in Bewegung versetzt werden. Die Ausbildung des bewegten Kugelbetts kann hierbei in verschiedenster Weise erfolgen. Die Kugeln können beispielsweise durch die Wirkung der Strömung eines gasförmigen Mediums, wie z.B. Luft oder Dampf bewegt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Bewegung der Metallkugeln dadurch erzeugt werden, dass die Kugeln von bewegten Mitnehmern in Bewegung versetzt werden, beispielsweise von einem Rührwerk, Schaufeln, Leitplatten oder dgl. mitgenommen werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Mahlraum von einer rotierend angetriebenen Trommel gebildet sein, an deren Wand die Kugeln aufsteigen und auf Grund der Schwerkraft danach herabfallen. Die Erfindung sieht in diesem Zusammenhang bevorzugt vor, dass die Mahlkörpermühle als Kugelmühle, Sturzmühle, Trommelmühle, Rohrmühle, Rührwerks- kugelmühle oder Siebtrommelmühle ausgebildet ist. Wie bei allen Mahlkörpermühlen werden in der Kugelmühle Mahlkörper und Mahlgut bewegt. Dadurch kommt es zu Stößen zwischen den Mahlkörpern untereinander und zwischen Mahlkörpern und Wänden. Das Mahlgut wird zerkleinert, wenn es sich zwischen den Körpern befindet. Die Zerkleinerung der Partikel geschieht somit durch Prall-, Scher- und Stoßbeanspruchung.
Die Mahlkörpermühle kann hierbei so ausgestaltet sein, dass sie wenigstens zwei in axialer Richtung aneinander anschließende Mahlräume aufweist, die durch eine Siebvorrichtung miteinander in Verbindung stehen, und deren Mahlkörper so bemessen sind, dass in jedem Mahlraum eine zum vorangehenden Mahlraum höhere Mahlfeinheit erzielt wird. Alternativ ist auch eine Mühlekaska¬ de denkbar.
Damit die Mahlkörper eine konstante Kühlleistung auch bei kontinuierlichem Betrieb der Mahlkörpermühle zur Verfügung stellen können, müssen die Mahlkörper kontinuierlich gekühlt werden, vorzugsweise auf eine Temperatur unterhalb der Rekristallisati- onstemperatur des eingesetzten schmelzflüssigen Materials. Insbesondere werden die Mahlkörper auf eine Temperatur von 100 - 300°C gekühlt.
Gemäß einer ersten bevorzugten Verfahrensweise zur Kühlung der Mahlkörper ist vorgesehen, dass die Mahlkörper im Inneren der Mahlkörpermühle kontinuierlich gekühlt werden. Bevorzugt erfolgt die Kühlung der Mahlkörper hierbei durch einen endother¬ men Prozess, wie zum Beispiel durch Verdampfen von in die Mahl- körpermühle eingebrachtem Wasser. Die Kühlung erfolgt hierbei durch die Verdampfungswärme an der Oberfläche der Mahlkörper. Die für die Abschreckung des schmelzflüssigen Materials erforderliche Kühlleistung wird somit indirekt durch Verdampfungs- wärme zur Verfügung gestellt. Insofern ist das erfindungsgemäße Verfahren mit anderen Verfahren aus dem Stand der Technik vergleichbar, die ebenfalls - etwa durch Abschreckung in flüssigem Wasser oder durch Zerstäuben der Schmelze mit Wasser oder Nassdampf - die Verdampfungswärme von Wasser nutzen. Allerdings ist es bei den beschriebenen Verfahren des Standes der Technik nicht möglich, zu einer Zieltemperatur von 600 - 850°C zu gelangen, weil das hierfür erforderliche Verhältnis Wasser- /Schmelze-Fluss technisch nicht realisierbar ist. Dieser Problematik trägt die Erfindung dadurch Rechnung, dass die Mahlkör- per als „Zwischenträger" genutzt werden, welche die erforderliche Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit, die erforderliche Oberfläche und das erforderliche Volumen zur Erhöhung der Wärmeübertragung zur Verfügung stellen. Dabei werden die metallischen Mahlkörper einerseits durch die Verdampfungswärme des Wassers gekühlt und nehmen die entsprechende Wärmemenge andererseits im Kontakt mit dem schmelzflüssigen Material zur Kühlung derselben wieder auf.
Ein weiterer Vorteil der Wasserdampfkühlung liegt darin, dass der expandierende Wasserdampf die Mahlarbeit unterstützt.
Zur Kühlung der Mahlkörper unter Nutzung der Verdampfungswärme gibt es verschiedene Möglichkeiten. Eine erste Alternative sieht vor, dass das Wasser im Mahlraum der Mahlkörpermühle von oben auf die Mahlkörper eingedüst wird. Das Wasser verdampft im Kontakt mit den Mahlkörpern und kühlt diese auf diese Weise. Eine zweite Alternative ist das Vorsehen eines Wasserbads im Mahlraum, in welches zumindest ein Teil der Mahlkörper eintaucht.
Die weitere Alternative sieht vor, dass Wasser bzw. Dampf über eine Vielzahl von Durchbrechungen in den Mahlraum der Mahlkörpermühle eingebracht wird, die in einem den Mahlraum begrenzenden Innenmantel ausgebildet sind. Die Mühle ist hierbei vorzugsweise doppelwandig ausgebildet, wobei zwischen dem Innenmantel und einem Außenmantel ein ringförmiger Hohlraum ausge- bildet wird, der mit Wasser beschickbar ist. Es bildet sich hierbei ein Wasserbad, dessen Niveau so gewählt ist, dass ein unterer Teilbereich des Mahlkörperbettes im Wasserbad angeordnet ist. Auf Grund der Wärmeeinwirkung wird das in dem ringförmigen Hohlraum befindliche Wasser zur Verdampfung gebracht und tritt dabei über die im Innenmantel ausgebildeten Durchbrechungen in den Mahlraum ein, wo die benötigte Verdampfungswärme den Mahlkörpern Wärme entzieht und diese kühlt. Auf Grund der Durchbrechungen ergibt sich ein über das Mahlkörperbett (insbesondere in axialer Richtung des Mahlraums) gleichmäßiger Was- ser- bzw. Dampfeintrag . In bevorzugter Weise können die Durchbrechungen im Querschnitt gesehen zum Mahlraum hin konvergierend ausgebildet sein bzw. Düsen, insbesondere sich über die axiale Länge des Mahlraums erstreckende Schlitzdüsen, ausbilden, was zur einer Druckverteilung und daher zu einer Ver- gleichmäßigung des Wasser- bzw. Dampfeintritts in den Mahlraum führt .
Ein bevorzugter Nebeneffekt der Wasser- bzw. Dampfeinbringung über den mit Durchbrechungen versehenen Innenmantel liegt da- rin, dass die Mahlkörper dadurch zur Vibration gebracht werden können, wodurch der Mahleffekt verbessert und das Auftreten des Leidenfrost-Effekts verringert wird. Ein Effekt der Verdampfungskühlung liegt außerdem darin, dass der entstehende Dampf als Treibmedium zum Austragen der gemahlenen Partikel dient. Für den Fall, dass die für die Kühlung benötige Wasser- bzw. Dampfmenge keine ausreichende Treibdampf- menge zur Verfügung stellt, kann vorgesehen sein, dass über die Austragsöffnung der Mahlkörpermühle zusätzliches Treibmedium, insbesondere Treibdampf und/oder Druckluft in den Mahlraum eingebracht wird. Gemäß einer zweiten bevorzugten Verfahrensweise zur Kühlung der Mahlkörper ist vorgesehen, dass Mahlkörper kontinuierlich aus der Mahlkörpermühle ausgetragen, abgekühlt und danach wieder in die Mahlkörpermühle eingebracht werden. Es wird somit ein extern geführter Mahlkörper-Kreislauf geschaffen, bei dem die Mahlkörper außerhalb der Mahlkörpermühle abgekühlt werden. Die Mahlkörper werden vorzugsweise auf eine Temperatur von 20-140°C gebracht, bevor sie wieder in die Mahlkörpermühle eingebracht werden . Im externen Mahlkörperkreislauf können die erhitzten Mahlkörper genutzt werden, um unabhängige Prozessgase oder Prozessflüssigkeiten zu erwärmen. Die Wärmeübertragung kann in beliebigen Wärmetauschern erfolgen. Bevorzugt ist hierbei vorgesehen, dass die Mahlkörper in eine schachtartige Vorrichtung eingebracht und dort durch Durchleiten von Kaltluft gekühlt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann batchweise oder kontinuierlich arbeiten. Dementsprechend erfolgen der Eintrag des schmelzflüssigen Materials und der Austrag der gemahlenen Mate- rialpartikel intervallweise oder kontinuierlich. Eine kontinuierliche Verfahrensweise ist bevorzugt. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die gemahlenen Materialpartikel in Pulver- oder Staubform mit einer Temperatur von 600-800 °C aus der Mahlkörpermühle ausgetragen werden. Der Austrag der gemahlenen Partikel aus dem Mahlraum erfolgt je nach der gewünschten Mahlfeinheit auf unterschiedliche Weise. Wenn Grobgut ausgetragen werden soll, kann dies über einen eigenen Grobgutaustrag am Boden der Mühle erfolgen, wie dies bei herkömmlichen Kugelmühlen unter Verwendung eines Diaphragmas bzw. Siebs an der Öffnung erfolgen. Wenn Feingut ausgetragen werden soll, können die gemahlenen Partikel, je nachdem, ob die Kühlung der Mahlkörper im Mahlraum mittels Verdampfungswärme oder in einem externen Mahlkörperkreislauf erfolgt, gemeinsam mit Heißluft oder Heißdampf ausgetragen werden. Das Verfahren wird in diesem Zusammenhang bevorzugt so durchgeführt, dass die gemahlenen Materialpartikel in einer Mischung mit Heißdampf und/oder Heißluft ausgetragen und die Materialpartikel in einem Abscheider vom Heißdampf bzw. Heißluft abgetrennt werden. Das Austragen der Materialpartikel/Heißdampf-Mischung erfolgt im Falle der internen Kühlung der Mahlkörper mittels Wasserdampf so, dass die Mahlkörper in der Mühle verbleiben.
Die Enthalpie des überhitzten Wasserdampfes kann hierbei exer- getisch genutzt werden. Zu diesem Zweck sieht eine vorteilhafte Verfahrensführung vor, dass die Materialpartikel/Heißdampf- Mischung vor dem Abscheider z.B. in einem Wärmetauscher auf eine Temperatur von 200-400°C abgekühlt wird.
Der im Abscheider abgetrennte Heißdampf kann einer Kondensation zugeführt werden, wobei das Kondensat der Mahlkörpermühle wiederum als Kühlmedium zugeführt werden kann. Der Kondensator kann hierbei beispielsweise als Speisewasservorwärmer betrieben werden . Allfällig im Mahlraum gebildete brennbare Gase (H2, H2S, CO etc) können ebenfalls genutzt werden, entweder nach der Wasserdampfkondensation oder durch simultane Verbrennung.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch hinsichtlich der Halogenproblematik vorteilhaft. Schmelzen mit Fluorid- und Chloridgehalten werden durch das Dampf- und Temperatur-Regime py- rohydrolisiert , d.h. die Halogene werden in die entsprechenden Säure-Anhydrite (HF, HCl) umgewandelt und somit aus den entsprechenden Schlacken entfernt: CaF2 + H20 -> CaO + 2 HF. Der gebildete Freikalk reagiert umgehend mit den sauren Schlackenkomponenten (Si02, AI2O3) . Zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe sieht die Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, umfassend eine mit metallischen Mahlkörpern befüllte Mahlkörpermühle mit einer Eintragsöffnung für schmelzflüssiges Material und einer Austragsoffnung für die gemahlenen erstarrten Materialpartikel.
Vorzugsweise weist die Mahlkörpermühle ein von einer rotierend antreibbaren Trommel gebildetes Gehäuse auf und ist insbesondere als Kugelmühle, Sturzmühle, Trommelmühle, Rohrmühle oder Siebtrommelmühle ausgebildet.
Die Mahlkörper sind in vorteilhafter Weise von Metallkugeln, insbesondere Stahlkugeln, gebildet, deren Durchmesser bevorzugt mindestens 15mm, insbesondere mindestens 20mm, beträgt.
Um die Mahlkörper kontinuierlich unter Ausnutzung der Verdampfungswärme von Wasser zu kühlen, ist bevorzugt vorgesehen, dass die Mahlkörpermühle einen den Mahlraum begrenzenden, mit Durch- W
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brechungen versehenen Innenmantel und einen Außenmantel aufweist, wobei der Innen- und der Außenmantel einen ringförmigen Raum begrenzen, der mit einem Wasserzulauf verbunden ist. Verdampfendes Wasser tritt hierbei durch die Durchbrechungen vom ringförmigen Raum in den Mahlraum der Mühle ein und kommt dort mit den Mahlkörpern in Kontakt.
Um die Mitnahme des im ringförmigen Raum enthaltenen Wassers in -Rotationsrichtung der Mühle zu begünstigen, sieht eine bevor- zugte Weiterbildung vor, dass der ringförmige Raum durch axiale Trennwände in eine Mehrzahl von Kammern geteilt ist, die mit Wasser befüllbar sind.
Eine günstige anfängliche Zerteilung des schmelzflüssigen Mate- rials ergibt sich, wenn die Eintragsöffnung für das schmelzflüssige Material radial außerhalb der Drehachse der Mahlkörpermühle angeordnet ist und die Drehrichtung der Mahlkörpermühle so gewählt ist, dass die im Bodenbereich der Mühle angeordneten Mahlkörper zur Eintragsöffnung hin bewegt werden. Dadurch wird das schmelzflüssige Material in den Bereich der Mühle eingetragen, in dem die Mahlkörper an der Trommelwand in die Höhe gezogen werden, sodass es beim anschließenden Herabfallen der Mahlkörper gleich zerteilt wird. Alternativ oder ergänzend zu der Wasser- bzw. Dampfeinbringung über die im Innenmantel ausgebildeten Durchbrechungen kann bevorzugt vorgesehen sein, dass im Inneren der Mahlkörpermühle eine auf die Mahlkörper gerichtete Sprüheinrichtung für Wasser angeordnet ist, die mit einem Wasserzulauf verbunden ist.
Alternativ zur Kühlung der Mahlkörper im Inneren des Mahlraumes, kann an die Austragsöffnung der Mühle eine externe Kühleinrichtung für die Mahlkörper angeschlossen sein. Bevorzugt ist die Austragsöffnung koaxial zur Rotationsachse der Mahlkörpermühle angeordnet, was konstruktive Vorteile mit sich bringt.
Zur Abtrennung der gemahlenen Partikel ist bevorzugt vorgesehen, dass die Austragsöffnung mit einem Abscheider zum Abtrennen der gemahlenen Materialpartikel von Heißluft und/oder Heißdampf verbunden ist. Insbesondere kann dem Abscheider ein Wär- metauscher vorgeordnet sein, um die Materialpartikel/Heißdampfbzw. Materialpartikel/Heißluft-Mischung abzukühlen. Dadurch kann der Heißdampf energetisch genutzt werden.
Eine weitere thermische Nutzung wird dadurch ermöglicht, dass der Heißdampf-Austrag des Abscheiders mit einem Kondensator verbunden ist, dessen Kondensataustrag den Wasserzulauf für die Sprüheinrichtung bzw. die Wasserzulauf-Ringkammer speist. Gleichzeitig wird hierdurch eine Kreislaufführung des Wassers ermöglicht .
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen Fig. 1 einen Querschnitt einer als Kugelmühle ausgebildeten Granuliervorrichtung, Fig. 2 einen Längsschnitt der Vorrichtung gemäß Fig. 1, Fig. 3 eine vergrößerte Detaildarstellung der Vorrichtung gemäß Fig. 1 und 2, Fig. 4 ein Schaltschema einer die Granuliervorrichtung gemäß Fig. 1 und 2 integrierende Anlage und Fig. 5 eine alternative Ausbildung der Anlage.
In Fig. 1 ist eine Kugelmühle 1 im Querschnitt dargestellt, deren zylindrische Trommel 2 um die Rotationsachse 3 drehbar gelagert ist. Im Betrieb wird die Trommel 2 zu Rotation in Richtung des Pfeils 4 angetrieben. Die Trommel 2 weist einen Außenmantel 5 und einen den Mahlraum 6 begrenzenden Innenmantel 7 auf. Zwischen dem Außenmantel 5 und dem Innenmantel 7 wird ein ringförmiger Hohlraum 8 ausgebildet, der über eine Vielzahl von regelmäßig über den Umfang des Mahlraums 6 verteilten, vorzugsweise schlitzförmigen Durchbrechungen 9 mit dem Mahlraum 6 verbunden ist.
Koaxial zur Rotationsachse 3 mündet ein Schlackeneintrag 10 in den Mahlraum 6, wobei der Schlackeneintrag einen im Inneren des Mahlraums 6 zentrisch angeordneten Schlacken-Tundish 11 aufweist, dessen schlitzförmige Eintragsoffnung 12 sich in axialer Richtung der Trommel 2 erstreckt und innerhalb des Mahlraums 6 außermittig angeordnet ist.
Die Trommel 2 weist an der dem Schlackeneintrag 10 gegenüberliegenden Seite eine zur Rotationsachse 3 koaxiale Austragsöff- nung 13 auf, an welche eine Austragsleitung 14 angeschlossen ist (Fig. 2) .
An Stelle des mit Durchbrechungen versehenen Innenmantels 7 oder zusätzlich zu diesem ist im Inneren des Mahlraums 6 ein sich in axialer Richtung der Trommel 2 erstreckender Sprühbalken 15 angeordnet, dessen Sprühöffnungen nach unten gerichtet sind.
Im Inneren des Mahlraums 6 ist ein Metallkugelbett 16 vorgesehen, dessen Metall-, insbesondere Stahlkugeln, die Mahlkörper der Kugelmühle 1 bilden. Die Metallkugeln werden im Betrieb der Kugelmühle 1 durch die in Richtung des Pfeils 4 rotierende Trommel 2 wie in Fig. 1 gezeigt nach oben hin mitgenommen (Pfeil 17) und fallen nach Erreichen einer kritischen Höhe auf Grund der Schwerkraft wieder nach unten (Pfeil 18) . Im Betrieb der Kugelmühle 1 wird, wie mit 19 angedeutet, Wasser in eine in der Trommel 2 angeordnete Wasserzulauf-Ringkammer 20 geleitet, die durch ein Diaphragma 21 vom Mahlraum 6 getrennt ist. Das Diaphragma 21 ist nur im Bereich der Wasserzulauf- Ringkammer 20 flüssigkeitsdurchlässig ausgebildet, sodass die Wasserzulauf-Ringkammer 20 ein in der Mahlraum 6 ausgebildetes Wasserbad 22 speist, das sich stets im Bodenbereich der Trommel
2 befindet. Insbesondere füllt das Wasser des Wasserbads 22 den ringförmigen Hohlraum 8 zwischen dem Außenmantel 5 und dem Innenmantel 7 der Trommel 2. Wie in der Detailansicht gemäß Fig.
3 ersichtlich, weist der ringförmige Hohlraum 8 eine Vielzahl von in axialer Richtung der Trommel 2 verlaufende Trennwände 23 auf, sodass im ringförmigen Hohlraum 8 eine Vielzahl von in Umfangsrichtung aneinander anschließenden Kammern 24 ausgebildet wird. Jede Kammer 24 ist hierbei über eine schlitzförmige Durchbrechung 9 mit dem Mahlraum 6 verbunden, wobei die schlitzförmigen Durchbrechungen 9 zum Mahlraum 6 hin konvergierende Wände 25 aufweisen, sodass sich ein Düseneffekt ergibt.
Bei rotierender Trommel 12 wird nun über den Schlacken-Tundish 11 Hochofenschlacke 26 mit einer Temperatur von 1300 - 1600°C in den Mahlraum 6 eingebracht, wobei die Hochofenschlacke 26 auf das Kugelbett 16 gelangt, welches eine Temperatur von höchstens 400 - 600°C aufweist. Die Schlacke wird an der Oberfläche der Metallkugeln des Kugelbetts 16 schlagartig abgekühlt. Gleichzeitig erfolgt auf Grund der Bewegung der Kugeln eine Zerteilung der Schlacke in erstarrende Partikel. Die erstarrenden Partikel werden durch den Mahleffekt des Kugelbetts 16 außerdem weiter zerkleinert, bis sie eine minimale Oberkorngrenze von z.B. 60pm aufweisen, um aus der Kugelmühle 1 ausgetragen werden zu können. Die Partikel werden in der Kugelmühle 1 so weit gekühlt, dass sie beim Austragen eine Temperatur von 600 - 800 °C oder tiefer aufweisen. Die Kugelmühle 1 kann hierbei so ausgestaltet sein, dass sie wenigstens zwei in axialer Richtung aneinander anschließende Mahlräume aufweist, die durch eine Siebvorrichtung miteinander in Verbindung stehen, und de- ren Mahlkörper so bemessen sind, dass in jedem Mahlraum eine zum vorangehenden Mahlraum höhere Mahlfeinheit erzielt wird. Alternativ ist auch eine Mühlekaskade denkbar. Je länger die Verweildauer der Partikels in der Mühle ist, desto tiefer werden die gemahlenen Partikel gekühlt, sodass die exergetische Ausnutzung weiter verbessert werden kann.
Gleichzeitig mit der Abkühlung der Schlacke an den Kugeloberflächen erfolgt durch die Wirkung des Wasserbads 22 eine kontinuierliche Abkühlung der Metallkugeln. Das Wasser wird durch die mit der Schlacke eingebrachte Wärme zur Verdampfung gebracht, wobei Verdampfungswärme benötigt wird, die den Metallkugeln zum Zwecke von deren Kühlung entzogen wird. Das verdampfende Wasser entweicht hierbei auf Grund der schlagartigen Volumsvergrößerung über die als Schlitzdüsen ausgebildeten Durch- brechungen 9 aus den Kammern 24, wobei der Düseneffekt auf Grund des Druckgradienten zu einer axialen Vergleichmäßigung der ausströmenden Dampfmenge führt. Der aus den Kammern 24 ausströmende Dampf führt zu einer zusätzlichen mechanischen Einwirkung auf die Kugeln des Kugelbetts 16, sodass diese zu Vib- rationen angeregt werden, was den Mahleffekt verbessert.
Im Inneren der Mahlkammer bildet sich ein Gemisch aus Heißdampf und dem Staub der gemahlenen Schlackenpartikel. Das Heißdampf/Staub-Gemisch wird über die Austragsöffnung 13 und die Austragsleitung 14 abgeführt und wie weiter unten beschrieben weiterbehandelt . In Fig. 4 ist ein Anlagenschema zur Weiterbehandlung der gemahlenen Schlackenpartikel dargestellt. Die Kugelmühle ist wiederum mit 1 bezeichnet. Das aus der Kugelmühle 1 ausgetragene Heißdampf/Staub-Gemisch wird mit einer Temperatur von ca. 600- 800°C einem Wärmetauscher 27 zugeführt, der beispielsweise als Dampferzeuger ausgebildet sein kann. Im Wärmetauscher 27 wird das Heißdampf/Staub-Gemisch beispielsweise auf eine Temperatur von 150 - 250°C abgekühlt, wobei noch keine Kondensation des Heißdampfs erfolgt. Das abgekühlte Heißdampf/Staub-Gemisch wird einem Abscheider 28 zugeführt, in dem das Schlackepulver 29 vom Dampf 31 getrennt wird. Das Schlackepulver 29 kann in der Folge mit trockener Luft 30 getrocknet werden, wobei die Luft gleichzeitig der weiteren Förderung des Schlackenpulvers dient. Der Dampf 31 wird einem Kondensator 32 zugeführt, der beispielsweise als Speisewasservorwärmer dienen kann. Das aus dem Kondensator 32 austretende Kondensat kann in einem Kondensatbehälter 33 gesammelt und bei Bedarf der Kugelmühle 1 über 19 zugeführt werden. Wenn an der Stelle 34 ein geringerer Druck eingestellt wird als an der Stelle 35, wird die sich daraus ergebende Druckdifferenz zur Förderung des Heißdampf/Staub- Gemisches genutzt, sodass auf Ventilationseinrichtungen verzichtet werden kann. Während bei der Ausbildung gemäß Fig. 4 die in der Kugelmühle 4 als Mahlkörper dienenden Kugeln intern, d.h. im Mahlraum 6 kontinuierlich gekühlt werden, ist bei der Ausbildung gemäß Fig. 5 ein externer Kugel-Kreislauf vorgesehen. Die Kugeln werden gemeinsam mit dem Heißluft/Schlackenpartikel-Gemisch über die Austragsöffnung 13 aus dem Mahlraum 6 der Kugelmühle 1 ausgetragen. Die Kugeln fallen auf Grund der Schwerkraft gemeinsam mit einem Großteil des Mahlguts in einen Schachtkugelkühler 36, der zur Kühlung der Kugeln mit Kaltluft 37 beschickt wird. An Stelle von Kaltluft kann für die Kühlung auch Wasser eingestoßen werden, wobei die Verdampfungswärme genützt wird. Während des Kühlvorganges sinken die Kugeln im Inneren des Schachtkugelkühlers 36 herab und werden über die Schleuse 38 in eine Trennvorrichtung 39 ausgetragen. In der Trennvorrichtung 39 werden die Kugeln von Schlackenpulver getrennt, wobei die Trennvorrichtung 39 beispielsweise als Sieb, Windsichter oder dgl. ausgebildet sein kann. Die abgetrennten Schlackenpartikel werden bei 40 und die von Schlackenpartikel befreiten und auf eine Temperatur von ca. 20-140°C gekühlten Kugeln bei 41 ausgetragen. Die abgekühlten Kugeln werden der Kugelmühle über die Eintragsöffnung 10 wieder aufgegeben. Dabei werden die Kugeln und die schmelzflüssige Schlacke auf derselben Seite der Kugelmühle 1 aufgegeben und durchlaufen die Kugelmühle 1 im Gleich- ström.
Das über die Austragsöffnung 13 aus dem Mahlraum 6 der Kugelmühle 1 austretende Gemisch aus Heißluft und der feineren Fraktion der Schlackenpartikel gelangt in den oberhalb der Aus- tragsöffnung liegenden Bereich des Schachts 36. Um die Menge des mit der Heißluft mitgerissenen Schlackenstaubs zu minimieren, kann der oberhalb der Austragsöffnung liegende Bereich des Schachts eine Querschnittserweiterung aufweisen, sodass die Strömungsgeschwindigkeit verringert wird. Das Heiß- luft/Schlackenstaub-Gemisch wird einem Heiß-Staubabscheider 42 aufgegeben, aus dem entstaubte Heißluft (600-800°C) bei 43 und heißes Schlackenpulver bei 44 (600-800°C) entnommen wird. Die Heißluft 43 kann einer weiteren energetischen Verwertung zugeführt werden. Das heiße Schlackenpulver kann, wie mit 45 ange- deutet dem Schachtkugelkühler 36 zugeführt werden. Zur Förderung des Schlackenpulvers kann hierbei ein Heißgas- Schneckenförderer verwendet werden.

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zum Granulieren und Zerkleinern von schmelzflüs- sigem Material, wie z.B. Hochofenschlacken, dadurch gekennzeichnet, dass das schmelzflüssige Material in eine Mahlkörpermühle eingebracht und im Kontakt mit metallischen Mahlkörpern der Mahlkörpermühle (1) abgeschreckt wird und die erstarrten Materialpartikel durch die Wirkung der Mahlkörper gemahlen wer- den.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das schmelzflüssige Material auf eine unterhalb der Rekristallisationstemperatur des Materials liegende Temperatur abge- schreckt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Mahlkörper Metallkugeln, insbesondere Stahlkugeln, eingesetzt werden, deren Durchmesser bevorzugt mindestens 15mm, insbesondere mindestens 20mm, beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallkugeln zur Ausbildung eines bewegten Kugelbetts (16) in Bewegung versetzt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mahlkörpermühle als Kugelmühle (1) , Sturzmühle, Trommelmühle, Rohrmühle, Rührwerkskugelmühle oder Siebtrommelmühle ausgebildet ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mahlkörper im Inneren der Mahlkörpermühle (1) kontinuierlich gekühlt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung der Mahlkörper durch Verdampfen von in die Mahlkörpermühle (1) eingebrachtem Wasser erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser im Mahlraum (6) der Mahlkörpermühle (1) von oben auf die Mahlkörper eingedüst wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf über eine Vielzahl von Durchbrechungen (9) in den Mahlraum (6) der Mahlkörpermühle (1) eingebracht wird, die in einem den Mahlraum (6) begrenzenden Innenmantel (7) ausgebildet sind .
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die gemahlenen Materialpartikel in Pulveroder Staubform mit einer Temperatur von 600-800°C aus der Mahlkörpermühle (1) ausgetragen werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die gemahlenen Materialpartikel in einer Mischung mit Heißdampf ausgetragen und die Materialpartikel in einem Abscheider (28) vom Heißdampf abgetrennt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialpartikel/Heißdampf-Mischung vor dem Abscheider (28) z.B. in einem Wärmetauscher (27) auf eine Temperatur von 200- 400°C abgekühlt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Mahlkörper aus der Mahlkörpermühle (1) aus- O 2015/154109
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getragen, abgekühlt und danach wieder in die Mahlkörpermühle (1) eingebracht werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mahlkörper in eine schachtartige Vorrichtung eingebracht und dort durch Durchleiten von Luft gekühlt werden.
15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 umfassend eine mit metallischen Mahlkörpern befüllte Mahlkörpermühle (1) mit einer Eintragsöffnung (10) für schmelzflüssiges Material und einer Austragsöffnung (13) für die gemahlenen erstarrten Materialpartikel.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Mahlkörpermühle (1) ein von einer rotierend antreibbaren
Trommel (2) gebildetes Gehäuse aufweist, insbesondere als Kugelmühle (1), Sturzmühle, Trommelmühle, Rohrmühle oder Siebtrommelmühle ausgebildet ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Mahlkörper von Metallkugeln, insbesondere Stahlkugeln, gebildet sind, deren Durchmesser bevorzugt mindestens 15mm, insbesondere mindestens 20mm, beträgt.
18. Vorrichtung nach Anspruch 15, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Mahlkörpermühle (1) einen den Mahlraum (6) begrenzenden, mit Durchbrechungen versehenen Innenmantel (7) und einen Außenmantel (5) aufweist, wobei der Innen- und der Außenmantel einen ringförmigen Raum (8) begrenzen, der mit ei- nem Wasserzulauf (20) verbunden ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Raum (8) durch axiale Trennwände (23) in eine O 2015/154109
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Mehrzahl von Kammern (24) geteilt ist, die mit Wasser befüllbar sind.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass Eintragsöffnung (10) für schmelzflüssiges
Material radial außerhalb der Drehachse (3) der Mahlkörpermühle (1) angeordnet ist und dass die Drehrichtung der Mahlkörpermühle (1) so gewählt ist, dass die im Bodenbereich der Mühle angeordneten Mahlkörper zur Eintragsöffnung (10) hin bewegt werden.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren der Mahlkörpermühle (1) eine auf die Mahlkörper gerichtete Sprüheinrichtung (15) für Wasser angeordnet ist, die mit einem Wasserzulauf (20) verbunden ist.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass an die Austragsöffnung (13) eine externe Kühleinrichtung für die Mahlkörper angeschlossen ist.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Austragsöffnung (13) koaxial zur Rotationsachse (3) der Mahlkörpermühle (1) angeordnet ist.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche' 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Austragsöffnung (13) mit einem Abscheider (28) zum Abtrennen der gemahlenen Materialpartikel von Heißluft und/oder Heißdampf (31) verbunden ist.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass dem Abscheider (28) ein Wärmetauscher (27) vorgeordnet ist, um die Materialpartikel/Heißdampf- bzw. Materialpartikel/Heißluft- Mischung abzukühlen.
26. Vorrichtung nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Heißdampf-Austrag des Abscheiders (28) mit einem Kondensator (32) verbunden ist, dessen Kondensataustrag den Wasserzulauf für die Sprüheinrichtung (15) bzw. die Wasserzulauf-Ringkammer (20) speist.
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