AT410101B - Verfahren zum zerstäuben von flüssigen schlacken sowie vorrichtung zur durchführung dieses verfahrens - Google Patents

Description

AT 410 101 B

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Zerstäuben von flüssigen oxidischen Schlak-ken, bei welchem die flüssige Schlacke als Mantel eines Treibstrahles in einen Kühlraum ausgestoßen wird, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Schmelzflüssige Hochofenschlacke fällt üblicherweise bei Temperaturen zwischen 1350 und 1600°C an. Neben der Trockengranulation wird gegenwärtig zumeist eine Kaltwassergranulation zur Erzielung von erstarrten Schlackenpartikeln angewandt, bei welcher die flüssige Hochofenschlacke mit 6 bis 12 m3 Wasser pro Tonne Schlacke granuliert wird. Das eingesetzte Wasser erwärmt sich dabei auf Temperaturen von etwa 85°C und wird in Kühltürmen wiederum auf Temperaturen von unter 40°C abgekühlt, wobei als Kühlenthalpie somit nur die fühlbare Wärme des Wassers zwischen etwa 40 und etwa 85°C zur Verfügung steht. In der Wasserphase kommt es zu einer Aufsalzung und teilweise zu einer Verdunstung des Wassers. Es muß daher in regelmäßigen Abständen die wässrige Phase abgeschlämmt werden und Zusatzwasser hinzugefügt werden. Bedingt durch die Schlackenchemie weist das Abwasser relativ hohe pH-Werte auf, wobei pH-Werte bis zu etwa 12 beobachtet werden. Derartiges Kühlwasser kann daher in der Folge nicht ohne Vorbehandlung einem Vorfluter aufgegeben werden, und es muß daher zwingend neutralisiert und meist auch noch zusätzlich gekühlt werden. Die Schwebstoffe des Abwassers müssen ebenfalls sedimentiert werden.

Sowohl die Schwebstoffe als auch der hohe Salzgehalt des Abwassers sind keinesfalls umweltverträglich, sodaß die Entsorgung mit weiteren Kosten verbunden ist. Das aus einer derartigen Naßgranulation ausgetragene Schlackengranulat weist eine Restfeuchte von 8 bis 24 Gew.% auf und muß daher unter weiterem Kostenaufwand mechanisch vorentwässert und thermisch getrocknet werden. Das Granulat fällt mit Korngrößen zwischen 10 und 1500 pm als relativ dichtes Korn an und weist nur geringe Porosität auf, sodaß ein nachfolgender weiterer Zerkleinerungsprozeß, und insbesondere ein Mahlprozess, relativ energieaufwendig ist. Je gröber das Korn, desto geringer ist der Verglasungsanteil, und es liegt insbesondere der Grobfraktionsanteil mit Korngrößen von über 600 pm zumindest teilweise entglast vor, wohingegen der Feinanteil aufgrund der relativ langen Verweilzeit im Wasser bereits teilweise hydratisiert vorliegt und in der Folge daher zementtechnologisch inaktiv wird.

Bei der Granulation fallen hohe Mengen an Schwefelwasserstoff an, wobei die H2S-Emission aus einer Schlacke-Wasser-Reaktion stammt und über aufwendige Gaswäscher eliminiert werden muß. Bei dieser Schlacke-Wasser-Reaktion wird Kalziumsulfid mit Wasser zu Kalziumoxid und Schwefelwasserstoff umgesetzt, welches mit dem verdunstenden Wasser in der Gasphase in entsprechender Verdünnung mit Luft vorliegt.

Vorrichtungen zum Zerstäuben von Schmelzen, insbesondere Schlackenschmelzen mit einem Schlackentundish mit einer Auslauföffnung, in welcher eine Lanze für einen Treibstrahl mündet und an welcher eine Kühlkammer angeschlossen ist, sind in unterschiedlichen Ausbildungen bereits vorgeschlagen worden, wobei mit derartigen Einrichtungen unterschiedliche Schlacken und Metallschmelzen eingesetzt werden können und besonders kleine Tropfengrößen realisiert werden können. Gleichzeitig wird bei einer derartigen Zerstäubung mittels eines Treibstrahles eine rasche Abkühlung, damit ein Verglasen der Schlacken bewirkt, wodurch ein nachfolgendes Mahlen von feinstkörnig erstarrten und verglasten Partikeln für den Einsatz als hydraulische Bindemittel sogar entbehrlich werden kann. Die Treibfluidlanzen wurden in derartigen Einrichtungen in der Regel mit Dampf oder Treibgas betrieben, wobei bei entsprechender Geometrie der Auslaßöffnung der Lanze und entsprechendem Druck die Strömungsbedingungen so eingestellt werden können, daß das Treibfluid mit Schallgeschwindigkeit aus der Treiblanzendüse austritt und in der Folge ein Bereich einer als Laval-Düse ausgebildeten Auslaßöffnung rasch expandiert, wobei in diesem Bereich sogar Überschallgeschwindigkeiten erreicht werden. Mit derartigen, in weiten Grenzen veränderlichen Strömungsbedingungen können auch Druckstöße in einem unterexpandierten Freistrahl ausgebildet werden. In der Regel wird bei derartigen Zerstäubervorrichtungen der Treibstrahl im wesentlichen in axialer Richtung eingestoßen, wobei die Zerkleinerungskräfte prinzipiell als Scherkräfte zur Wirkung gelangen, wobei ein in wesentlichen axial gerichteter Treibstrahl mit entsprechender Viskosität nach seiner Expansion im Inneren des diesen Treibstrahl konzentrisch umgebenden Mantels der flüssigen Schlacke eine Beschleunigung und damit entsprechende Scherkräfte induziert. Da die Scherkräfte im wesentlichen auf Grund der axialen Beschleunigung zur Wirkung kommen, ist bei diesen Ausbildungen der Treibmediumverbrauch relativ hoch. 2

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Die Erfindung zielt nun darauf ab, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem es gelingt, die Strömungsbedingungen im Auslauf des Schlackentundish noch besser zu kontrollieren und bei geringem konstruktiven Aufwand ein hohes Maß an Zerkleinerungsleistung zu gewährleisten. Weiters zielt die Erfindung darauf ab, das flüssige Treibstrahlmedium besser thermisch zu nutzen und gleichzeitig sicherzustellen, das bei einer an die Kühlung angeschlossenen Kondensation bei der Schlacke-Wasserreaktion entstehende H2S in der Gasphase zu halten und hier in konzentrierter Form wirtschaftlich sinnvoll aufarbeiten zu können. Zur Lösung dieser Aufgabe besteht das erfindungsgemäße Verfahren im wesentlichen darin, daß die flüssige Schlacke mit heißem Druckwasser ausgestoßen wird. Dadurch, daß heißes Druckwasser, insbesondere mit einem Druck von etwa 42 bar und einer Temperatur von etwa 240°C eingesetzt wird, expandiert dieses Treibgasmedium explosionsartig am Verdampfungspunkt auf das ca. 3000fache Volumen, wobei bei der Entspannung in den Kühlbereich Drücke von etwa 0 bis 3 bar über dem atmosphärischen Druck gemessen werden. Insgesamt ergeben sich dadurch extrem hohe Scherkräfte bei der Ausbildung einer Kugelwelle, wobei der Verdampfungspunkt unmittelbar dem Düsenaustrittspunkt benachbart liegt. Diese extreme Expansion des heißen Druckwassers führt nicht nur zu extrem hohen Scherkräften, sondern auch zu Strömungsgeschwindigkeiten in der Größenordnung von mehrfacher Schallgeschwindigkeit, wobei in der Verdampfungs- und Expansionswolke eine rasche Abkühlung mit dem Zentrum im Verdampfungspunkt und damit an der Düsenspitze erzielt wird. Insgesamt gelingt es auf diese Weise zusätzlich ein Zuwachsen der Austrittsöffnung des Tun-dishes durch Kühlvorgänge sicher zu verhindern und die maximale Kühlleistung unmittelbar in den mit dem Druckwasser ausgestoßenen Schlackenstrahl zu übertragen, wodurch eine besonders rasche und damit glasartige und auf Grund der extrem hohen Scherkräfte auch überaus feinteilige Zerstäubung erfolgt. Die Druckenergie wird in einer dem Heißwassererzeuger vorgeschalteten Wasserdruckerhöhungsanlage und beispielsweise einer Speisewasserpumpe aufgebracht, wobei das heiße 2-Phasen-Gemisch aus gebildetem Dampf und feinkörnigen Partikeln durch Staubabscheidung und anschließende Wasserdampfkondensation wiederum aufbereitet werden kann und gegebenenfalls gebildeter Schwefelwasserstoff aus der Gasphase abgetrennt werden kann. Prinzipiell kann heißes Druckwasser bevorzugt mit zwischen 10 bar bis zu 175°C und bis zu 224 bar bei bis zu 370°C eingesetzt werden, wobei das Heißwasser an der Düse knapp unter der jeweiligen Verdampfungstemperatur vorliegen soll. Insgesamt gelingt es durch die Verwendung von heißem Druckwasser, den spezifischen Treibmittelverbrauch relativ gering zu halten, und das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt so durchgeführt, daß Druckwasser in Mengen von 0,1 bis 0,51 je t Schlacke eingesetzt wird.

Zusätzlich zu dem Umstand, daß durch die explosionsartige Verdampfung und das Anwachsen des Volumens auf das etwa 3000fache mehrfache Schallgeschwindigkeit erzielt wird, kann das erfindungsgemäße Verfahren noch dadurch effizienter gestaltet werden, daß das heiße Druckwasser mit hochfrequenten Schwingungen, insbesondere Ultraschallschwingungen, beaufschlagt wird. Druckwasser erlaubt eine besonders günstige Übertragung von Ultraschallwellen mit hoher Leistungsdichte, und mit derartigen Maßnahmen kann die Kavitationsweile unmittelbar bei der Kollision mit dem flössen Schlackenmantel zur Zerkleinerung genutzt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit einem Schlackentundish, in dessen Austrittsöffnung eine Treibstrahldüse mündet, ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß an die Treibstrahldüse eine Speisewasserpumpe, insbesondere Kolbenpumpe, und ein Schwingquarz angeschlossen sind. Da im vorliegenden Fall lediglich Heißwasser unter Druck eingesetzt wird, sind zu diesem Zweck einfache Speisewasserpumpen, insbesondere Kolbenpumpen, geeignet. Um insgesamt die Bauhöhe des Kühlraumes zu verringern, kann mit Vorteil die Ausbildung so getroffen sein, daß an den Schlackenauslauf in axialer Richtung anschließend im Kühlraum ein Leitapparat angeordnet ist.

Mit besonderem Vorteil ist die Ausbildung hierbei so getroffen, daß der Leitapparat als Rotor ausgebildet ist und an seinem Umfang in einen als Strahlmühle ausgebildeten Kanal mündet. In besonders einfacher Weise kann die Konstruktion hierbei so gewählt sein, daß der Rotor über Sperrdampf-Labyrinthdichtungen an der in einem stationären Teil ausgebildeten Strahlmühle und am Tundish anschließt. Mit einer derartigen Einrichtung gelingt es, durch die Zentrifugalkraft die Ausbildung eines unerwünschten Überdruckes und damit eines Rückschlages in den Tundish zuverlässig zu vermeiden, wobei gleichzeitig eine besonders feine Mikronisierung bzw. Zerkleinerung 3

AT 410 101 B ermöglicht wird.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines in einer Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

In dieser zeigen Figur 1 eine erste Ausbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung in schematischer Darstellung, teilweise im Schnitt, und Figur 2 eine abgewandelte Ausbildung der Einrichtung nach Fig. 1 mit einem rotierenden Leitkörper und einer anschließenden Gegenstromstrahlmühle.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Schlackentundish bezeichnet, in welchem schmelzflüssige oxidische Schlacke 2 aufgenommen ist. In diese schmelzflüssige Schlacke 2 taucht unter Zwischenschaltung einer wärmeisolierenden Auskleidung 3 eine Druckwasserlanze 4, deren Düsenmündung mit 5 bezeichnet ist. Der Druckwasserlanze 4 wird heißes Druckwasser mit einem Druck von etwa 42 bar und einer Temperatur von etwa 240°C über die Leitung 6 zugeführt, wobei die entsprechende Speisewasserpumpe schematisch mit 7 angedeutet ist.

Aus dem Tundish 1 strömt flüssige Schlacke 2 in Form eines Mantels 8 aus, innerhalb dessen axial das heiße Druckwasser über die Düse 5 ausgestoßen wird. Um die Wandstärke des Mantels 8 entsprechend einstellen zu können, sind der Schlackentundish 1 und/oder die Druckwasserlanze 4 im Sinne des Doppelpfeiles 9 höhenverstellbar. Die Schlackenschmelze liegt mit Temperaturen von 1450 bis 1650°C vor.

Unmittelbar am Ausstoßpunkt der Düse 5 befindet sich auch der Verdampfungspunkt für das heiße Druckwasser, und es bildet sich eine schematisch durch die strichlierten Linien 10 angedeutete Kugelwelle aus, über welche das heiße Druckwasser explosionsartig expandiert. Diese Kugelwelle trifft mit mehrfacher Schallgeschwindigkeit auf die Innenfläche des Mantels 8 auf und führt zu einer Zerstäubung des Schlackenstrahles bei gleichzeitiger rascher Abkühlung durch die rasche Temperaturerniedrigung bei der explosionsartigen Expansion des heißen Druckwassers. Die zerstäubten Partikel gelangen radial auswärts in einen Ringkanal 12 und können aus diesem in einen Sichter 13 abgezogen werden.

Um eine gerichtete Strömung der zerstäubten Partikel zu gewährleisten, ist ein stehender Leitapparat 14 angeordnet, welcher für die Umlenkung und Auslenkung des Partikelstromes bzw. 2-Phasen-Gemisches von Vorteil ist. Das 2-Phasen-Gemisch, welches über die Leitung 15 in den Sichter 13 abgezogen wird, wird im Sichter getrennt, wobei die Feststoffe als feinste Partikel über die Zellradschleuse 16 ausgetragen werden. Der gasförmige Anteil, welcher in erster Linie aus Dampf besteht, kann über die Leitung 17 und ein Filter 18 in einen Kondensator 19 abgezogen werden, aus welchem über die Leitung 20 Schwefelwasserstoff und andere nicht kondensierende Gase abgezogen werden können. Das Kondensat kann gegebenenfalls nach einer nicht dargestellten weiteren Aufwärmung der Pumpe 7 rückgeführt werden, um als heißes Druckwasser wiederum in die Druckwasserlanze 4 rückgeführt zu werden.

Insgesamt kann eine derartige Vorrichtung mit Druckwassermengen von 0,1 bis 0,5 t je t Schlacke eingesetzt werden, wobei auf Grund der hohen Druckwassertemperaturen ein Zuwachsen der Tundishauslauföffnung bei entsprechender Isolation 3 mit Sicherheit vermieden werden kann. Der Kühlraum und insbesondere die Ringkammer 12 kann mit Gegenstrom-Heißwasserwärmetauschern zur Nutzung der restlichen Enthalpie über Strahlungs- und Konvektionsvorgänge ausgestattet sein, um auf diese Weise das kondensierte Heißwasser wiederum auf die gewünschte hohe Temperatur zu bringen bevor der Heißwasserstrom mit der Pumpe 7 wiederum auf den gewünschten Druck gebracht wird.

In Fig. 2 wurden die Bezugszeichen für Bauteile, welche auch in der Ausbildung nach Fig. 1 zum Einsatz gelangen, unverändert beibehalten. Zusätzlich ist die Isolation der Druckwasserlanze 4 nicht nur mit einer wärmeisolierenden Auskleidung 3 getroffen, sondern es ist das Wehrrohr gesondert als Bauteil aus hochverschleißfähigem Material und beispielsweise aus Siliziumkarbid ausgebildet und mit 21 bezeichnet.

Der Leitapparat 14, wie er bei der Ausbildung nach Fig. 1 vorgesehen war, ist hier als Rotor 22 ausgebildet und an seinem Umfang mit Düsen oder Schlitzen 23 versehen. Der Rotor 22 des rotierenden Leitapparates ist über Labyrinthdichtungen 24 gegenüber dem Tundish 1 abgedichtet, wobei sich hier auf Grund des sich bildenden Dampfes eine Labyrinthdichtung mit Sperrdampf ergibt. Ebenso erfolgt die Labyrinthdichtung gegenüber dem Ringkanal 12, wobei diese Labyrinthdichtung mit 25 bezeichnet ist. Schließlich ist eine Labyrinthdichtung 26 zwischen Rotor 22 und einem Stator 27 vorgesehen, wobei auch im Stator in entgegengesetzter Richtung zur Mündung 4

Claims (9)

1. AT 410 101 B der Düsen 23 des Rotors Düsen 28 vorgesehen sind. Über einen Ringkanal 29 im Stator wird Treibgas, gegebenenfalls mit dem über eine Zellradschleuse 30 eingetragenen Grobgut eines Sichters, ausgestoßen, wobei sich in dem Kanal 31 ein Mahlraum ausbildet, in welchem die über die Düsen 28 des Stators und die Düsen 23 des Rotors 22 in zueinander entgegensetzter Richtung ausgetragenen Teilchen weiter zerkleinert werden. Die Treibgaszufuhr erfolgt über eine Leitung 32. Die Rotationsbewegung des rotierenden Leitkörpers bzw. Rotors 22 ist schematisch durch den Pfeil 33 angedeutet. Insgesamt wird durch die Rotation des rotierenden Leitkörpers bzw. Rotors 22 ein Saugdruck erzeugt, welcher die Gefahr einer Ausbildung eines Überdruckes in Richtung zum Tundish 1 und damit eine Rückschlaggefahr verhindert. Der Rotor 22 kann direkt oder indirekt gekühlt sein und gewünschtenfalls zur Druckwassererhitzung herangezogen werden. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zum Zerstäuben von flüssigen oxidischen Schlacken, bei welchem die flüssige Schlacke als Mantel eines Treibstrahles in einen Kühlraum ausgestoßen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssige Schlacke mit heißem Druckwasser ausgestoßen wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß heißes Druckwasser im Druckbereich von 10 bis 224 bar bei Temperaturen zwischen 175°C und 370°C eingesetzt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß heißes Druckwasser mit einem Druck von etwa 42 bar und einer Temperatur von etwa 240°C eingesetzt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Druckwasser in Mengen von 0,1 bis 0,51 je t Schlacke eingesetzt wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das heiße Druckwasser mit hochfrequenten Schwingungen, insbesondere Ultraschallschwingungen, beaufschlagt wird.
6. 6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem Schlackentundish, in dessen Austrittsöffnung eine Treibstrahldüse mündet, dadurch gekennzeichnet, daß an die Treibstrahldüse eine Speisewasserpumpe, insbesondere Kolbenpumpe, und ein Schwingquarz angeschlossen sind.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an den Schlackenauslauf in axialer Richtung anschließend im Kühlraum ein Leitapparat angeordnet ist.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitapparat als Rotor ausgebildet ist und an seinem Umfang in einen als Strahlmühle ausgebildeten Kanal mündet.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor über Sperrdampf-Labyrinthdichtungen an der in einem stationären Teil ausgebildeten Strahlmühle und am Tundish anschließt. HIEZU 2 BLATT ZEICHNUNGEN 5