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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Zerkleinern und Granulieren von Schlacken, bei welchem die schmelzflüssige Schlacke mit einem Treibstrahl in einen Granulierraum ausgestossen wird sowie auf eine Vorrichtung zur Durchfuhrung dieses Verfahrens
Zum Zerkleinern und Granulieren von Schlacken ist es bekanntgeworden, flüssige Schlacken in einen Schlackentundish einzubringen und mittels eines Treibstrahles in einen Granulrerraum auszutragen.
Die flüssige Schlacke wurde hiebei zumeist mit Dampf oder Hochdruckwasser in den Granulierraum ausgetragen und beim Austritt in den Granuherraum zerstäubt, wobei im Granu- lierraum eine rasche Abkuhlung, beispielsweise durch Beaufschlagen mit Hochdruckwasser oder durch Einbringen von Kohlenwasserstoffen, vorgenommen wurde Aufgrund der rheoiogischen Eigenschaften flüssiger Schlacken mussten derartige Schlacken auf relativ hohe Temperatur erhitzt werden und es müssen zur Erzielung eines entsprechend fein zerstäubenden Strahles auch Randbedingungen in Bezug auf die Basizität der Schlacke berücksichtigt werden,
wenn eine hinreichend feine Verteilung und damit eine hinreichend feine Zerkleinerung ohne nachfolgendes Mahlen gewünscht wurde Ein Optimieren der Schlackenzusammensetzung im Hinblick auf eine möglichst feinteilige Zerkleinerung und Granulation stellt somit notwendigerweise einen Kompromiss in Bezug auf die möglichen Schlackenzusammensetzungen dar, wenn nicht überaus hohe Schlackentemperaturen gewählt werden sollen Hohe Schlackentemperaturen wiederum bedingen einen hohen Verschleiss der Feuerfestauskleidung des Schlackentundish
Um eine raschere Zerteilung derartiger flüssiger Schlacken in einen nachfolgenden Granuherraum zu erzielen, wurde bereits vorgeschlagen Gase in die Schlacke einzutragen, um auf diese Weise das Schlackenbad mit Gasen zu sättigen In der Regel wurden hiezu Inertgase eingetragen, wobei Sauerstoff zumeist nur in dem Ausmass eingesetzt wurde,
welches erforderlich ist, um sicherzustellen, dass eine vollständig oxidierte Schlacke vorliegt, welche beim nachfolgenden Beaufschlagen der flüssigen Schlacke mit Hochdruckwasser die Gefahr vor unerwünschten Explosionen beseitigt
Die Erfindung zielt nun darauf ab, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem es gelingt die Zusammensetzung der Schlacke und insbesondere die Schlackenbasizität in weiten Grenzen zu variieren, ohne die Vorteile einer raschen Zerkleinerung und eines raschen Granulierens der Schlacken zu verlieren und gleichzeitig die Möglichkeit geschaffen wird, die für die Rheologie der ausströmenden Schlacke erforderlichen relativ hohen Temperatur in besondeis wirtschaftlicher und einfacher Weise zu gewährleisten, ohne dass dies zu einem erhöhten Verschleiss von Feuerfestmatenalien im Schlackentundish führt.
Weiters zielt die Erfindung darauf ab, die Zerkleinerung und das Granulieren mit kleinbauenden Einrichtungen so zu führen, dass ein nachfolgendes Mahlen entbehrlich wird, sodass unmittelbar eine hinreichend feine Komgrössen- verteilung der erstarrten Partikel erzielt werden kann
Zur Lösung dieser Aufgabe besteht das erfindungsgemässe Verfahren im wesentlichen darin, dass in die schmelzflüssige Schlacke Gase, insbesondere Luft oder Sauerstoff zur Ausbildung einer Schaumschlacke eingetragen werden, dass die Schaumschlackentemperatur durch in die Schaumschlacke eingebrachte Brennstoffe, wie z B Kohle auf Temperaturen von über 1350 C, insbesondere 1420 bis 1680 C gebracht wird und dass die Schaumschlacke in einen Granulierraum ausgestossen wird Dadurch, dass nun bewusst eine Schaumschlacke ausgebildet wird,
wird zunächst das spezifische Gewicht der Schlacke wesentlich herabgesetzt und insbesondere auf etwa 1/10 des ursprünglichen spezifischen Gewichtes der kompakten Schlackenschmelze verringert Bei der Ausbildung einer derartigen Schaumschlacke entstehen geschlossenponge Strukturen mit einer Bläschengrösse mit Durchmessern im Bereich von Milimetern, wobei derartige Schaumschlacken durch entsprechendes Einbringen von Scherkräften, wie beispielsweise durch Einblasen von Gasen uber poröse Spülsteine sowie durch das Einhalten kritischer Temperaturbereiche in Abhängigkeit von der Schlackenbasizität mit geringem Aufwand erzeugt werden können.
Wesentlich ist, dass Temperaturen über 13500 C und insbesondere zwischen 1420 und 1680 C erreicht werden, wobei aufgrund der strukturellen Eigenschaften von Schaumschlacken diese Temperatur im Inneren der Schaumschlacke leicht erzielt werden können und gleichzeitig ein Temperaturgradient zu den Randbereichen des Schaumschlackenvolumens aufgebaut werden kann Die erforderliche Temperatur kann in derartigen Schaumschlacken durch Einbringen fester Brennstoffe in die Schaumschlacke aufrechterhalten werden,
weiche gemeinsam mit dem eingeblasenen Sauerstoff im Inneren der Schaumschlacke unter Ausbildung der
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Schaumschlacke verbrennen und auf die Art und Weise gleichzeitig die hohen Schmelz- temperaturen gewährleisten In einer derartigen Schaumschlacke kann nun die gewünschte Schlackenzusammensetzung in besonders einfacher Weise eingestellt werden und es können feste Additive, wie beispielsweise CaO, Al2O3 und S1O2 zur Einstellung der Schlackenbasizität auf einen Wert von bevorzugt 0,8 bis 1,3 in der Schaumschlacke zugesetzt werden Es gelingt somit die gewünschte Schlackenchemie gleichzeitig mit der gewünschten Temperatur des Schmelz- bades in der Schaumschlacke aufzubauen, wobei zu allem Überfluss in besonders wirtschaftlicher Weise kostengünstige Brennstoffe,
wie billige Kohle eingesetzt werden kann Ein gegebenenfalls erhöhter Schwefelwert derartiger billiger Kohle wird unmittelbar und sofort in der Schlacke gebunden, wobei die Schaumschlacke eine Art flammenlosen Brenner darstellt, mit welcher sich auch die Abgastemperaturen in der gewünschten Weise einstellen lassen. Da in der Schaum- schlacke das entstehende Abgas bereits vollständig entstaubt wird und allfälliger Staub in situ verschlackt wird und auch Brennstoffschwefel in die Schlacke, aufgrund der Basizität der Schlacke, eingebunden wird, entsteht unmittelbar ein hochreines Abgas, welches beispielsweise direkt auf Gasturbinenschaufeln geleitet werden kann.
Dadurch, dass nun eine derartige Schaumschlacke mit der gewünschten Zusammensetzung und der gewünschten Temperatur in einen Granulierraum ausgestossen wird, lässt sich gegenüber kompakten Schlackenschmelzen eine wesentlich leichtere und feinere Mikrogranulation erzielen.
Die Schlacke liegt in der Schaumschlackenschmelze bereits vorzerkleinert vor, sodass bei einem nachfolgenden raschen Abkühlen wesentlich feinere Partikel entstehen. Prinzipiell kann die Abkühlung in beliebiger konventioneller Weise erfolgen, wobei die Schaumschlacke unmittelbar in ein konventionelles Wasserbad, auf ein Plattenkühlband oder über ein Schleuderrad geführt werden kann. Bevorzugt wird aber erfindungsgemäss so vorgegangen, dass die Schaumschlacke mit Dampf ausgestossen wird und mit Hochdruckwasser im Gegenstrom beaufschlagt wird. Zu diesem Zweck wird mit Vorteil Dampf mit Temperaturen zwischen 200 und 1200 C und einem Druck zwischen 5 und 15 bar zum Ausstossen der Schaumschlacke eingesetzt, wobei mit Vorteil Hochdruckwasser mit einem Druck zwischen 50 und 300 bar gegen den Schaumschlacken- Dampfstrahl gerichtet wird.
Der Hochdruckwasserstrahl tritt in diesem Falle mit hoher kinetischer Energie als Gegenstrahl zum Dampfstrahl in eine Mahl- bzw. Verdampfungskammer ein Der Wasserstrahl verdampft hiebei aufgrund des Enthalpiestromes der Schlackentröpfchen sowie des Hochtemperaturtreibdampfes Die hohe kinetische Energie des Hochdruckwassers wird dem verdampften Hochdruckwasser übertragen, sodass ein rasch gerichtet bewegtes Dampfvolumen entsteht, welches mit hoher axial orientierter Geschwindigkeit dem partikelbeladenen Hoch- temperaturdampftreibstrahl entgegengerichtet ist Diese beiden energetischen Potentialfelder durchdringen einander gegenseitig, sodass die dabei dissipierte Energie unmittelbar zur Partikelzerkleinerung führt, wobei zur Einstellung des gewünschten Geschwindigkeitsvektors des Hochdruckwassers, der Hochdruckwasservordruck,
die freie Strahllänge sowie die Distanz zum Hochtemperaturdampfeintritt zur weiteren Einstellung der gewünschten Zerkleinerung zur Verfügung steht. Neben der Einstellbarkeit der gewünschten Zerkleinerungswirkung, d h. der erzielbaren Partikelgrösse, lässt sich aber auch der Zerkleinerungswirkungsgrad durch ent- sprechende Wahl der Abstände optimieren, sodass auch ein hoher Mahlwirkungsgrad beispiels- weise durch entsprechende Einstellung des Hochdruckwasservordruckes eingestellt werden kann
Insgesamt erlaubt die Ausbildung der Schaumschlacke im Schlackentundish neben der Einstellung der gewünschten Schlackenzusammensetzung gleichzeitig auch die Ausbildung eines entsprechend hohen und hochreinen Heissgasvolumens, welches energetisch beispielsweise in einer Gasturbine genützt werden kann,
ohne dass hiefür gesonderte Abgasreinigungsanlagen erforderlich wären Die Schlackenbasizität kann, wie bereits erwähnt, in einfacher Weise durch Zugabe von CaO, AI203 und/oder Si02 auf einen Wert von 0,8 bis 1,3 in der Schaumschlacke eingestellt werden.
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konnten beobachtet werden, wenn das Raumgewicht der Schaumschlacke auf unter 0,35 kg/dm3, insbesondere etwa 0,28 kg/dm3, eingestellt wird Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass Schaumschlacken unter überatmosphärischem Druck eine erhöhte Stabilität aufweisen.
Mit Vorteil wird daher im Rahmen des erfindungsgemässen Verfahrens so vorgegangen, dass die Schaumschlacke unter einem Druck zwischen 3 und 7 bar
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gehalten wird Mit einer derartigen Ausbildung wird gleichzeitig am Auslauf des Schaumschlacken- Tundish ein Druckgradient ausgebildet, sodass die heisse Schaumschlacke mit hohe kinetischer und thermischer Energie austritt Das heisse Abgas hat im wesentlichen die gleiche Temperatur wie die Schaumschlacke und ist praktisch staub- und schwefetfrei und eignet sich daher bevorzugt beispielsweise als Treibgas für eine Gasturbine,
wobei ein Teil der gewonnenen mechanischen Energie für Luftverdichter für das zur Ausbildung der Schaumschlacke einzubringende Bodengas eingesetzt werden kann
Insgesamt stellt sich der Schaumschlacken-Generator im Schlackentundish als flammenlose Brennkammer einer Gasturbine dar, mit weicher relativ grobstückige Attemativbrennstoffe direkt eingesetzt werden können und in wirtschaftlicher Weise verwertet werden können.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist im wesentlichen gekennzeichnet durch einen Tundish, in welchem eine Gaslanze und/oder in dessen Boden Düsen angeordnet sind, dass ein Schaumschlackenüberlauf und eine Austnttsöffnung für Schlacke vorgesehen ist, dass der Tundish einen druckfesten Deckel trägt, an welchem eine Schleuse für den Eintrag von Feststoffen und Kohle oberhalb des Schlackenbades angeschlossen ist, und dass in die Schlackenaustrittsöffnung eine Lanze für den Eintrag eines Trägergases zum Ausstossen der Schaumschlacke mündet Die Zerkleinerung erfolgt hiebei in einer nachgeschalteten Mahl- bzw Verdampfungskammer, wofür die Ausbildung mit Vorteil so getroffen ist, dass an die Schlackenaus- trittsöffnung eine Mahl- und Verdampfungskammer angeschlossen ist,
dass an der dem Schlackenaustritt gegenüberliegenden Seite der Kammer eine Druckwasserleitung mündet und dass an die Mahl- und Verdampfungskammer ein Sichter zum Austragen des zerkleinerten und granulierten Materials angeschlossen ist. Prinzipiell kann in der Mahl- und Verdampfungskammer zusätzlich oder als Ersatz für das Hochdruckwasser auch mit reduzierenden Flüssigkeiten oder Gasen gearbeitet werden, mit welchen verbleibendes Resteisenoxid in der Schlacke reduziert wird und gleichzeitig aufgrund der Zersetzungsenergie bzw. Crackenergie von Kohlenwasserstoffen eine rasche Abkühlung erzielt wird.
Das auf diese Weise gebildete Feineisen kann gesondert beispielsweise durch Magnetscheider abgetrennt werden Ein wesentlicher Vorteil der Ausbildung einer Schaumschlacke besteht hiebei neben dem Umstand, dass im Inneren der Schaumschlacke relativ hohe Temperaturen in einfacher Weise und kontrolliert hergestellt werden können, auch darin, dass allfälliges metallisches Schlackeneisen sicher verbrannt wird, sodass Schlacken- granulierexplosionsrisiken grundsätzlich ausgeschaltet werden. Aufgrund der hohen spezifischen Schaumschlackenvolumina können wesentlich grössere Schlackenaustrittsöffnungen im Schlacken- tundish vorgesehen werden, wodurch die Gefahr eines Verstopfens bzw. Zuwachsens durch möglicherweise mitgeschleppte Feststoffpartikel, wie z.
B durch Feuerfestausbruch, entscheidend minimiert werden kann Gegenüber bekannten Einrichtungen, bei welchen kompakte Schlacken in einen Mahl- oder Verdampfungsraum ausgestossen werden, kann mit vergleichsweise grossen lichten Durchmessern, welche um einen Faktor 10 bis 100 gegenüber bekannten Einrichtungen vergrössert sind, gebaut werden
Mit Vorteil ist an den Tundish eine Abgasleitung angeschlossen, welche über eine Gasturbine und/oder Wärmetauscher geführt ist,
wodurch sich die energetische Nutzung weiter verbessert und eine wirtschaftliche Verfahrensweise ergibt
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles einer für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeigneten Vorrichtung näher erläutert In dieser zeigen Fig 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Schlackentundish zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens und Fig. 2 eine schema- tische Anordnung einer Mahl- bzw Verdampfungskammer im Anschluss an einen derartigen Schaumschlackengenerator
In Fig. 1 ist mit 1 ein Schlackentundish bezeichnet, an dessen Boden poröse Bodensteine 2 angeschlossen sind.
Über die porösen Bodensteine 2 wird Luft und/oder Sauerstoff über eine Leitung 3 in eine Schmelze 4 eingebracht, wobei im Inneren der Schmelze in der Folge eine Schaumschlacke ausgebildet wird Die Schaumschlacke gelangt über ein Schaumschlackenwehr 5 zu einer Schlackenaustrittsöffnung 6 Koaxial zur Schlackenaustrittsöffnung 6 ist die Mündung einer Lanze 7 vorgesehen, über welche beispielsweise Hochdruckdampf eingepresst werden kann und die Schaumschlacke nach dem Austritt rasch dispergiert und zerkleinert werden kann.
Zur Erhöhung der Stabilität der Schaumschlacke ist der Schlackentundish geschlossen
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ausgebildet und es ist ein Deckel 8 vorgesehen Feststoffe und insbesondere CaO, AI203 sowie Si02 zur Einstellung der Schlackenbasizität können über eine Zellradschleuse 9 unmittelbar in das Schaumschlackenbad eingebracht werden, wobei aufgrund der hohen Verwirbelung gleichzeitig eine gute Durchmischung und homogene Verteilung sichergestellt wird.
Ober die gleiche Zellradschleuse 9 können auch feste Brennstoffe, wie beispielsweise billige Kohlen, eingebracht werden, um die gewünschte Schaumschlackentemperatur zu gewährleisten Die Verbrennung derartiger stückiger Kohle erfolgt rasch im Inneren der Schaumschlacke durch Umsetzung mit dem in den Poren enthaltenen Sauerstoff bei entsprechend hohen Temperaturen, wobei über eine Leitung 10 hochreines Abgas mit einer Temperatur abgezogen werden kann, welche im wesentlichen der Temperatur der Schlacke entspricht.
Schlackentemperaturen bis 2000 C und damit Abgastemperaturen in der gleichen Grössenordnung sind ohne weiteres möglich, wobei derartige hohe Temperaturen in erster Linie im Inneren der Schaumschlacke entstehen und sich zum Rand des Schaumschlackenbades jeweils ein Temperaturgradient ausbilden kann, wodurch die Feuerfestauskleidung des Schlackentundish 1 entsprechend geschont wird. Der Schlacken- tundish kann hiebei unter einem Druck von 3 bis 7 bar gehalten werden, wodurch auch das Ausstossen der Schaumschlacke wesentlich begünstigt wird.
Die Schaumschlackenbrennerleistung kann in grossem Umfang variiert werden. Insbesondere kann zur Ausbildung entsprechend hoher reiner Abgasströme mit hoher Temperatur eine entsprechende Betriebsweise als flammenloser Brenner gewählt werden, aus welchem die Schlacke jeweils nach Erreichen der gewünschten Zusammensetzung ausgebracht wird und/oder kontinuierlich weitere Schlacke zur Ausbildung der gewünschten Schaumschlacke eingebracht werden kann.
Während bei konventionellen kompakten Schlacken die Viskosität in erster Linie mit steigenden Temperaturen und steigenden Eisenoxidanteilen abnimmt, liegt bei einer Schaumschlacke, welche ein strukturviskoses Fliessverhalten zeigt, unabhängig von der Zusammensetzung eine wesentlich geringere Viskosität vor, sodass auch Schlackenzusammensetzungen mühelos versprüht werden können, deren Temperatur im Falle einer kompakten Schlackenschmelze wesentlich höher liegen müsste. Gleichzeitig gelingt es im Inneren der Schaumschlacke von vornherein auf wirtschaftliche Weise unter Verwendung billiger Brennstoffe nahezu beliebig hohe Temperaturen einzustellen, ohne dass dies zu einem erhöhten Verschleiss der Feuerfestauskleidung führt.
In Fig 2 ist nun eine vorteilhafte Zerkleinerungseinrichtung dargestellt, welche einem Schlackengenerator bzw. Schlackentundish, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, nachgeschaltet ist. Die Schaumschlackenzufuhr ist hiebei schematisch durch die Kammer 11angedeutet, in welche eine
Hochtemperaturdampflanze 12 mündet. Die Schaumschlacke 13 tritt über die Öffnung 14 in eine Mahl- bzw Verdampfungskammer ein, wobei dem austretenden Strahl ein Hochdruckwasserstrahl
15 über eine Hochdruckwasserlanze 16 entgegengeführt wird Die Hochdruckwasserlanze 16 kann hiebei in Richtung des Doppelpfeiles 17 verschieblich gelagert sein, sodass die gewünschten
Parameter und insbesondere der Spreitungswinkel a eingestellt werden kann, welcher einen wesentlichen Einfluss auf den Mahlgrad und den Mahlwirkungsgrad hat.
Hochdruckwasser wird hiebei mit einem Vordruck von etwa 50 bis 300 bar eingesetzt Hochtemperaturdampf kann im Temperaturbereich zwischen 2000 und 1200 C und in einem Druckbereich von 5 bis 15 bar eingesetzt werden. Der in Fig. 2 eingezeichnete Spreitungswinkel a kann auch als Verdampfungs- gradient gedeutet werden, wobei der Winkel a bei kleinerem Druck des Hochdruckwassers entsprechend grösser wird. Je grösser dieser Winkel a desto kleiner wird auch der Mahlwirkungs- grad und desto gröber das Mahlgut. Insgesamt gelingt es durch einfache Einstellungen sowohl den Mahlwirkungsgrad als auch den Zerkleinerungsgrad entsprechend den gewünschten Parametern einzustellen, wobei das feine Mahlgut in der Folge über einen Sichter 18 und die Leitung 19 abgezogen werden kann.
Wie in Fig. 1 strichliert angedeutet, kann in die Schaumschlacke über eine Blaslanze 20 Luft/Sauerstoff gegebenenfalls gemeinsam mit Kohlenstoff eingeblasen werden, um die Ausbildung der Schaumschlacke und die gewünschte Schaumschlackentemperatur zu erzielen In diesen Fällen kann sogar auf poröse Spülsteine 2 im Boden verzichtet werden