AT407224B - Verfahren zum granulieren und zerkleinern von flüssigen schmelzen - Google Patents

Description

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   Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Granulieren und   Zerkleinem   von flüssigen Schmelzen, insbesondere Schlacken oder Metallschmelzen, bei welchem die flüssigen Schlacken mit einem   Fluidstrahl   in eine Kühlkammer versprüht werden 
Aus theoretischen Uberlegungen ist es bekannt, dass die   Kuhlgeschwindigkeit   von Teilchen vom Durchmesser der Teilchen abhängig ist Die Strahlungskuhlung nimmt mit abnehmender Teilchengrosse stark zu und ist aus diesem Grunde bereits bekannt geworden, Schlacken möglichst fein zu verspruhen, wobei auf diese Weise Teilchendurchmesser zwischen 10 und 300  m im Falle von flüssigen Schlacken mit Ausgangstemperaturen von etwa 1350  C ohne weiteres erzielbar waren Es ist weiters aus theoretischen Uberlegungen bekannt,

   dass die Strahlungskühlung in hohem Masse von der Verweilzeit der Teilchen im Strahlungskühler und damit von der Teilchen- geschwindigkeit abhängig ist. Eine höhere Teilchengeschwindigkeit führt zu einer geringeren Strahlungskuhlung, da die Verweilzeit im Kühler rasch abnimmt Kleine Partikel werden nun durch die Treibgasströmung in einem derartigen Strahlungskühler schneller beschleunigt, was zu kleineren Verweilzeiten fuhrt.

   Hohe Wärmeflussdichten setzen aber nun sowohl kleine Teilchen als 
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 legungen sich aus den fur die Abkühlung von Teilchen geltenden Differentialgleichungen ergeben 
In die Differentialgleichung für die Teilchentemperatur bei einer Abkühlung durch Strahlung gehen eine Reihe von Parametern ein, wobei die Strahlungskuhlung in hohem Masse von der Temperaturdifferenz zwischen der Teilchentemperatur und der Wandtemperatur des Strahlungs- kuhlers abhängt Die Temperaturabhängigkeit in einer derartigen Differentialgleichung für die Teilchentemperatur weist die jeweiligen Temperaturen mit der vierten Potenz aus, wobei für die Abnahme der Teilchentemperatur uber die Zeit die Differenz aus T4s T4wals Faktor eingeht Ts bezeichnet hiebei die Teilchentemperatur und Tw die Wandtemperatur.

   Weitere in die Differential- gleichung fur die Teilchentemperatur Ts(t) eingehende Parameter sind neben der Partikelmasse und der Wärmekapazität, welche zur Temperaturabnahme umgekehrt proportional sind, auch charakteristische Grossen, wie die Emissivität der Schlackenteilchen und die Wandoberfläche Heisse Schlackenteilchen verhalten sich weitestgehend als ideale Strahler und es gelten daher die bekannten Differentialgleichungen mit sehr hoher Genauigkeit. Aus der Temperaturabhängigkeit ergibt sich nun, dass eine Erhöhung der Ausgangstemperatur in hohem Ausmass die Wärme- flussdichte durch die umgebenden Wände beeinflusst und dadurch die Effizienz der Strahlungs- kühlung steigern könnte. 



   Die Erfindung zielt nun darauf ab, diese theoretischen Überlegungen praktisch umzusetzen und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welches bei konventionellem Ver- sprühen und auf diese Weise erzielten Teilchendurchmessern von etwa 50  m die Effizienz der Strahlungskuhlung weiter zu erhöhen gestattet 
Zur Lösung dieser Aufgabe besteht das erfindungsgemässe Verfahren im wesentlichen dann, dass die verspruhten Schmelzentröpfchen im Spruhstrahl durch Nachverbrennung von Heissgasen im Inneren der Kühlkammer aufgeheizt werden und dass die Wände der Kühlkammer auf Oberflachentemperaturen von unter 400  C, vorzugsweise unter 300  C gekuhlt werden. 



  Schmelzflüssige Schlacken liegen ublicherweise mit Temperaturen zwischen 1300  und 1400  C vor Dadurch, dass nun diese Temperatur beim Eintritt in die Kühlkammer durch eine Nachver- brennung weiter gesteigert wird, gelingt es die Teilchentemperatur weiter anzuheben, um auf diese Weise die Effizienz der Strahlungskühlung aufgrund der Abhängigkeit von der vierten Potenz dieser Temperatur zu erhöhen.

   Die Brennkammertemperatur bzw die Temperatur in der Nachverbrennungszone kann 200  bis 300  C höher liegen, als die ursprüngliche Schlacken- temperatur, wodurch ein besserer Warmeübergang gleichzeitig mit einer höheren Turbulenz und einer weiteren Tropfchendesintegration erzielt wird Es wird somit mit der Verbesserung des Wärmeüberganges gleichzeitig durch weitere Desintegration und Turbulenz die Verweilzeit erhöht, sodass die Effizienz der Strahlungskühlung wesentlich über das konventionelle Ausmass hinaus verbessert werden kann.

   Gleichzeitig führt die Erhöhung der Schlackentemperaturen nach dem Eintritt in den Strahlungskühler zu einer Verringerung der Schlackenviskosität und der Ober- flächenspannung, was dazu führt, dass die Turbulenzscherkräfte eine weitere   Tröpfchenzerkleme-   rung bewirken Bedingt durch die hohen Temperaturendifferenzen kann besonders hoch energe- tischer Dampf erzeugt werden, wobei auch überkntische Dampfzustande erzielbar sind Neben Hochofenschlacken oder Schlacken aus Müllverbrennungsanlagen lassen sich erfindungsgemäss 

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 auch Schlacken aus einer Schmelzkammerfeuerung, Metallschmelzen oder Schmelzen von Speziallegierungen zur Herstellung von Mikrosinter und Spezialglasschmelzen durch die erfmdungsgemasse Erhöhung der Temperatur wirkungsvoll desintegrieren und rasch abkuhlen, wobei besonders günstige geometrische Formen,

   insbesondere sphänsche Konturen oder Kugelchen der Schlackentröpfchen ausgebildet werden können Insgesamt lässt sich somit durch die Nachverbrennung im Inneren der Kühlkammer die Effizienz der Strahlungskühlung weiter steigern, wobei die Einrichtungen zum Abkuhlen der Schlackentropfchen wesentlich kleiner als konventionelle Einrichtungen ausgebildet werden können, sodass der Platzbedarf für derartige Kühler verringert wird 
Mit Vorteil wird das erfindungsgemässe Verfahren so durchgeführt, dass im Inneren der Kühl- kammer Heissgase mit einem CO und H2 Anteil von 20 - 35 Vol% stöchiometrisch in einer Nachver- brennungszone mit Heissluft verbrannt werden Heissgase mit derartigen Anteilen an Kohlen- monoxid und Wasserstoff können auf diese Weise mit vorgewärmter Luft wirkungsvoll nachver- brannt werden,

   um die gewünschte Brennkammertemperatur bzw gewünschte Temperatur in der Nachverbrennungszone sicherzustellen, wobei mit Rücksicht auf das Verhalten der Schlacken- tröpfchen als weitestgehend ideale Strahler eine rasche Erwärmung ebenso erzielt wird, wie in der Folge eine rasche Abkühlung durch den Strahlungskühler. 



   Mit Vorteil wird hiebei so vorgegangen, dass die Tröpfchen in einer Nachverbrennungszone des Strahlungskühler auf Temperaturen zwischen 1500" C und 1750  C aufgeheizt werden, wobei diese Temperaturen naturgemäss fur Spezialgasschmelzen und   Sonderanwendungen   auch noch höher gewählt werden können, um die Effizienz zu steigern Temperaturen zwischen 1500  und 1750  C und die durch die Nachverbrennung bedingten Turbulenz sind jedoch für Hochofen- schlacken, Mullverbrennungsschlacken oder Schmelzen aus der Schmelzkammerfeuerung mit Vorteil einsetzbar und führen unmittelbar zu sphärischen, glasig erstarrenden Partikelchen mit besonders kleinen Durchmessern 
Eine wirkungsvolle Strahlungskühlung lässt sich dadurch erzielen,

   dass die kammerartigen Wände des Strahlungskühlers mit Druckwasser unter einem Druck von 10 bis 220 bar beaufschlagt werden und dass Hochdruckdampf bei Temperaturen von 200 bis 400  C und einem Druck von 10 bis 220 bar aus den kammerartigen Wänden abgezogen wird 
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles einer für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeigneten Einrichtung näher erläutert 
In der Zeichnung ist mit 1 ein Schlackentundish bezeichnet, in welchem schmelzflussige Schlacken bei Temperaturen zwischen 1300  und 1400  C vorratig gehalten ist Die schmelz- flussige Schlacke wird in Form von feinsten Tröpfchen 3 in einen   Strahlungskuhier   4 ausgestossen, wobei der Ausstoss durch Einpressen von Fluid über eine Lanze 5 erfolgt Als Fluid kann Dampf,

   Heissgas unterstöchiometrisch verbranntes Heissgas oder auch Wasser zum Einsatz gelangen, wobei die Ausbildung feinster Tröpfchen durch ein hohenverstellbares, rohrförmiges Wehr 6, welches im Sinne des Doppelpfeiles 7 angehoben und abgesenkt werden kann, variiert werden kann. Die feinen Tröpfchen verlassen die Schlackenaustrittsöffnung 22 des Tundish, wobei ein im wesentlichen rohrformiger Schlackenstrahl gebildet wird, dessen Wandstärke vom Abstand 8 zwischen der Unterkante des rohrförmigen Wehres 6 und der Austrittsoffnung 22 bestimmt ist 
Unmittelbar nach dem Eintritt der Schlackentröpfchen 3 in den Strahlungskühler 4 sind nun Brenner 9 angeordnet, welche über eine Leitung 10 mit Brenngasen und Heissluft versorgt werden. 



  Die Verbrennung wird stöchiometrisch geführt und die Temperatur der Schlackentröpfchen um etwa 300  C über die Temperatur der Schlacke 2 im Schlackentundish 1 angehoben 
In die Wande des Strahlungskühlers 4 wird über eine Leitung 11 Druckwasser unter einem Druck von 10 bis 220 bar eingebracht Die Wandtemperatur des Strahlungskühlers 4 lässt sich da- durch auf etwa 200  C herabsetzen, wobei über die Leitung 12 Hochdruckdampf bei Temperaturen von 200  bis 400  C unter einem Druck von 10 bis 220 bar abgezogen wird.

   Aufgrund der hohen Temperaturdifferenz, der überaus feinen Verteilung der Tröpfchen und aufgrund der durch die Brenner 9 ausgeübten Scherkräfte und turbulenten Stromungen erfolgt eine rasche Abkühlung der feinen Schlackenteilchen 3, welche am Ausgang des Strahlungskuhlers 4 mit Temperaturen von unter 600  C in einen nachgeschalteten weiteren Kühler 13 eintreten, welcher konventionell aus- gebildet sein kann und als Konvektionsdampfkessel mit Naturumlauf ausgebildet sein kann. Die 

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Claims (4)

1. Siederohre dieses Konvektionskessels sind hiebei mit 14 bezeichnet Das aufsteigende Heiss- wasser bzw. der gebildete Dampf gelangt in eine Dampftrommel 15, wobei Dampf uber eine Leitung 16 abgezogen wird Das kondensierte Wasser gelangt uber ein Fallrohr 17 wiederum zurück in die Siederohre 14 Mit 18 ist ein weiterer Kühler, weicher als Verbrennungsluftvorwärmer eingesetzt werden kann, angedeutet, wobei die Ableitung 19 dieses Kuhlers mit der Heissluftzufuhr über die Leitung 10 zu den Brennern 9 verbunden werden kann Das Mikrogranulat mit Teilchendurchmessern von etwa 50 m wird über eine Zellradschleuse 20 ausgetragen, wobei über den Anschluss 21 Abgase mit Temperaturen von etwa 200 C abge- zogen werden können Das Mikrogranulat liegt überwiegend amorph bzw.

   glasig vor Aufgrund der uberaus raschen Abkühlung wird beim Versprühen von Metallschmelzen metallisches Glas, wie es beispielsweise fur die Herstellung von Supraleitern verwendet wird, gebildet PATENTANSPRÜCHE: 1 Verfahren zum Granulieren und Zerkleinern von flüssigen Schmelzen, insbesondere Schlacken oder Metallschmelzen, bei weichem die flüssigen Schlacken mit einem Fluid- strahl in eine Kuhlkammer verspruht werden, dadurch gekennzeichnet, dass die ver- spruhten Schmelzentropfchen im Spruhstrahl durch Nachverbrennung von Heissgasen im Inneren der Kuhlkammer aufgeheizt werden und dass die Wände der Kühlkammer auf Oberflächentemperaturen von unter 400 C, vorzugsweise unter 3000 C gekühlt werden
2. 2 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   dass im Inneren der Kuhlkammer Heissgase mit einem CO und H2 Anteil von 20 - 35 Vol% in einer Nachverbrennungszone mit Heissluft verbrannt werden.
3. 3 Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tropfchen in einer Nachverbrennungszone des Strahlungskühler auf Temperaturen zwischen 1500 C und 1750 C aufgeheizt werden
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die kammerartigen Wände des Strahlungskühlers mit Druckwasser unter einem Druck von 10 bis 220 bar beaufschlagt werden und dass Hochdruckdampf bei Temperaturen von 200 bis 400 C und einem Druck von 10 bis 220 bar aus den kammerartigen Wanden ab- gezogen wird