CH664356A5 - Verfahren zur herstellung von geblaehtem mineralischem korngut. - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

Vergleichsweise leichte mineralische Zuschlag- oder Füllstoffe, z.B. mit Dichten von weniger als 1 t/m3, wie Blähton, Blähglimmer oder Blähglas, haben typische Korngrössen von 0,5 bis 10 mm oder mehr und werden allgemein durch Wärmebehandlung entsprechender mineralischer Vorprodukte hergestellt, die meist eine als Treib- oder Blähmittel wirkende Komponente enthalten, wie CCK-Bildner oder Wasser; das Blähmittel wird einem Vorprodukt zugesetzt oder ist in einer Mineralkomponente enthalten.

Glasmaterialien, d.h. aus vorgebildetem mineralischem Glas oder aber aus einer beim Erhitzen zur Glasbildung befähigten Mischung bestehende Ausgangsstoffe sind für die Herstellung von geblähtem mineralischem Schüttgut vorteilhaft, weil solche Mineralstoffe bereits bei relativ niedrigen Temperaturen von typisch zwischen 400 bis 1000 °C innerhalb eines breiten Temperaturintervalls erweichen bzw. schmelzen und dementsprechend in relativ zähem erweichtem Zustand gebläht werden können. Dabei werden als «Glas» hier nicht nur die üblichen durchsichtigen Mineralstoffschmelzen auf Basis von Si02, CaO und Na20, sondern auch mehr oder weniger gefärbte bzw. opake Schmelzen nach Art von Schlacken verstanden, soweit sie etwa bei Temperaturen im genannten Bereich unter Bildung viskoser Massen erweichen.

Das gegebenenfalls mit einem Glasbildungsprozess kombinierte Blähen des mineralischen Guts erfolgt jedenfalls stets bei erhöhten Temperaturen, was gemäss Stand der Technik entweder im Kontakt mit einer festen Träger- bzw. Förderfläche, etwa der Wand eines Drehrohrofens, oder «kontaktlos», z.B. in einer Wirbelschichtbettung, erfolgen kann.

Beim Erhitzen eines Stroms von Blähmittel enthaltenden Glasmaterialteilchen in Kontakt mit Festflächen, z.B. in -Drehrohröfen wird die Oberfläche des entstehenden Blähglasguts notwendigerweise aufgerauht und darum offenporig. Solches Blähglasgut kann Feuchtigkeit aufnehmen und ist deshalb ein schlechter Isolator. Zum «kontaktlosen» Erhitzen nach Art von Wirbelschichtverfahren sind vergleichsweise kostspielige Anlagen und erhöhte Aufwendungen für die Prozesssteuerung bzw. Prozessgutdefinition erforderlich. Eine durch ungleichmässige oder verunreinigte Ausgangsmaterialien verursachte Änderung der Erweichungstemperatur oder anderer Eigenschaften, z.B. der Viskosität der Schmelze, ist bei Wirbelschichtverfahren besonders nachteilig und kann bereits bei relativ geringfügigen Abweichungen von den Sollwerten der Zusammensetzung des zu blähenden Glasmaterials zur Inoperabilität des Verfahrens führen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von geblähtem mineralischem Korngut anzugeben. Das erflndungsgemässe Verfahren hat die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale.

Bevorzugte Ausführungsformen des erfmdungsgemässen Verfahrens haben die in den Ansprüchen 2 bis 5 angegebenen Merkmale.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfmdungsgemässen Verfahrens mit den Merkmalen von Anspruch 6 sowie das nach dem Verfahren erhaltene ICorngut mit den in den Ansprüchen 7 bis 9 genannten Merkmalen.

Durch die beim erfmdungsgemässen Verfahren erzielte Gegenstrombewegung zwischen den vertikal fallenden und noch nicht expandierten Agglomeraten und dem heissen Gasstrom werden die Agglomerate mit zunehmender Fallstrecke heisser, während die Temperatur des Gasstroms in Strömungsrichtung (zum Reaktorende hin) abnimmt. Dies bietet eine weitgehend selbsttätige Steuerung des Expansionsvorgangs, weil die Längen der Fallstrecken der Agglo2

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merate und damit das Erreichen ausreichend heisser Bereiche des Gasstroms bzw. ausreichender Verweilzeiten in diesen Bereichen vom Expansionsgrad der Teilchen gesteuert werden. Die noch nicht expandierten Agglomerate fallen in dem Gasstrom nach unten, werden dabei zunehmend wärmer und s versintern, so dass das Treibmittel einen Druck in den Agglomeraten entwickelt und diese nach entsprechender Versin-terung bzw. Erweichung zu blähen beginnt. Dadurch nimmt die Dichte der Agglomerate ab und ihre aerodynamischer Auftrieb im Gasstrom zu, wodurch sich die Gegenstrombe- io wegung verlangsamt, bis schliesslich ein Schwebezustand erreicht ist und sich das Agglomerat praktisch nicht mehr weiter zum Reaktorende hin bewegt. Dieser Schwebezustand der Agglomerate wird aber in einem relativ heissen Teil des Gasstroms erreicht, d.h. der Blähungseffekt hält an, bis das 15 jeweilige Agglomerat eine weitere Dichteverminderung erleidet und nunmehr vom Gasstrom in Gleichstrombewegung mit diesem, d.h. zum Reaktorende hin, in Bereich niedrigerer Gasstromtemperatur bewegt und dementsprechend abgekühlt wird und sich verfestigt. 20

Auf diese Weise stellt sich praktisch für jedes Agglomerat ein Gleichgewichtszustand von Erhitzungs- und Blähungsgrad ein, der eine übermässige ebenso wie eine unzureichende Erhitzung vermeidet und Unterschiede des Schmelzver-haltens bzw. des Schmelzzustands weitgehend selbsttätig zu 25 kompensieren gestattet, wenn man die Gasstromgeschwindigkeit und das Gasstromtemperaturprofil der Beschaffenheit der Agglomerate entsprechend wählt, wie nachfolgend erläutert.

Die Glaspulveragglomerate haben bei der Einspeisung in 30 den Gasstrom vorzugsweise Durchmesser von 1 bis 5 mm, insbesondere etwa 1 bis 2 mm, und bestehen aus einer Vielzahl von aneinander haftenden bzw. miteinander verklebten Glaspulverteilchen, die ihrerseits typische Durchmesser von 1 bis 10 (im, vorzugsweise 2 bis 3 (im, haben. 35

Die Glaspulverteilchen eines Agglomerats werden zweckmässig mit Hilfe von wasserlöslichen Silikatverbindungen miteinander verklebt bzw. verkittet. Wenn die Agglomerate gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aus einer Mischung von feinem Glaspulver und wässriger 40 Alkalisilikatlösung (z.B. technisches «Wasserglas») hergestellt werden, kann das Alkalisilikat als Bindemittel und der wässrige Anteil als Treibmittel dienen. Die Verwendung zusätzlicher Treibmittel, z.B. Carbonate, ist dadurch aber keinesfalls ausgeschlossen. 45

Beispielsweise kann eine fliessfähige oder teigige Mischung aus fein teiligem Glaspulver und technischem Wasserglas oder einer ähnlichen wässrigen Silikatlösung mit einer Schneckenpresse in Form von 1 bis 3 mm dicken Strängen ausgepresst und diese zu Stücken von 1 bis 3 mm Länge zer- 50 schnitten werden. Die so entstandenen feuchten Agglomerate können direkt in dem Reaktor nahe dessen oberem Ende in den Gasstrom eingespeist werden.

Als Reaktionsraum bzw. Reaktor für das erfindungsge-mässe Verfahren wird vorzugsweise ein annähernd rohrför- 55 miger Behälter verwendet, der einen im Verhältnis zu seiner Länge relativ geringen Durchmesser hat. Ein typischer Reaktor zur Herstellung von körnigem Blähglasgut hat z.B. eine Länge von 10 bis 30 m und einen Durchmesser von 10 bis 50 cm. 60

Durch den Reaktor strömt Heissgas von unten nach oben mit einer Geschwindigkeit von typisch 1 bis 10 m/sec, vorzugsweise 2 bis 4 m/sec, und einem Temperaturgefälle von z.B. etwa 1000 C oder mehr am unteren Eintrittsende bis 300 C oder weniger am oberen Austrittsende. Die nahe 65 dem oberen Austrittsende des heissen Gasstroms in diesen eingespeisten Glaspulveragglomerate bewegen sich unter der Wirkung der Schwerkraft in freiem Fall annähernd vertikal gegen den Gasstrom im Reaktor; ihre Fallgeschwindigkeit wird am Gasstrom zunächst wegen der relativ hohen Dichte der Agglomerate von typisch 1 bis 2 g/cm3 nur wenig gebremst. Mit zunehmender Fallstrecke (z.B. im Temperaturbereich 300-500 C) gelangen die Agglomeratteilchen wie oben erwähnt in zunehmend heissere Bereiche (z.B.

500-800 C) des Gasstroms, wo sie unter der Wirkung des durch Versintern bzw. Verschmelzen zunehmend eingeschlossenen Treibmittels expandieren und zunehmend stärker vom Gasstrom gebremst werden. Sobald sich der Durchmesser der Agglomerate auf etwa des Zweifache des Ausgangsdurchmessers vergrössert hat, sollen die expandierten Agglomerate eine Sinkgeschwindigkeit von annähernd Null erreicht haben. Dies lässt sich meist mit einer Strömungsgeschwindigkeit des heissen Gasstroms von typisch 1 bis 10 m/sec, vorzugsweise 2 bis 4 m/sec, erreichen.

Die Verfahrens- und Anlageparameter lassen sich normalerweise ohne Probleme soweit optimieren, dass praktisch alle Agglomerate ausreichend weit vom unteren Reaktorende entfernt schwebfähig bzw. in Gleichstrombewegung mit dem Gasstrom gebracht werden. Eine Flammzone am unteren Reaktorende kann zur Feinsteuerung von Gastemperatur und Strömungsgeschwindigkeit dienen; vorzugsweise wird mindestens zur teilweisen Erwärmung des Gasstromes Prozessabwärme, z.B. aus der für die Glaspulverherstellung dienenden Schmelz- oder/und Zerstäubungsanlage, verwendet oder/und der Gasstrom zirkuliert.

Die entsprechend weit geblähten Agglomerate werden im Zuge der Gleichstrombewegung mit dem Gasstrom abgekühlt und mit dem Gasstrom aus dem Reaktor ausgetragen. Die Abtrennung kann in einem üblichen Zyklon oder ähnlich wirkenden Abscheider erfolgen und liefert das Zielprodukt, das typisch Korngrössen von 2 bis 4 mm und Dichten von 0,3 bis 1 g/cm3 hat und in dieser Form auch als Leichtsand bezeichnet wird.

Eine gewünschte Korngrössenverteilung kann durch Graduierung der Grössen der eingespeisten Agglomerate (Ausgangsagglomerate) erzielt werden.

Das für die Bildung der Ausgangsagglomerate verwendete feinteilige Glaspulver kann nach an sich bekannten Verfahren hergestellt werden. Die Herstellung von Glaspulver durch Versprühen oder ähnliche Feinverteilung von geschmolzenem Glas und das Vermählen von Glasabfall sind als Beispiele zu nennen. Auch das Glaspulver der Agglomerate kann mit Vorteil eine vorbestimmte Korngrössenverteilung haben, wenn dies für die Feinstruktur der Agglomerate vorteilhaft ist.

Der weiteren Erläuterung der Erfindung dient die beigeschlossene Zeichnung. Deren einzige Figur 1 zeigt das Schema einer Anlage zur Durchführung des erfmdungsgemässen Verfahrens.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Gesamtanlage besteht aus dem Reaktor/Abscheider-Teil 1, der Agglomerater-zeugungsanlage 2 und der Glaspulverfertigung 3.

Der Reaktor 10 von Teil 1 der Anlage ist schematisch als Rohr bzw. Hohlzylinder dargestellt, besteht aus wärmebeständigem Werkstoff, wie Stahl, und besitzt eine (nicht dargestellte) äussere Wärmeisolationsschicht. Das Längen-Durchmesserverhältnis liegt typisch im Bereich von 50:1 bis 250:1; ein praktisch konstanter Durchmesser des Reaktors 10 kann für viele Zwecke geeignet sein, doch liegt es auch im Rahmen der Erfindung, den Durchmesser des Reaktors 10 über dessen Länge stetig oder diskontinuierlich bzw. stufenartig zu verändern, um die Strömungs- und Volumverhältnisse in den verschiedenen Temperaturbereichen zu optimieren.

Am unteren Ende 101 des Reaktors 10 wird durch eine Gaszuleitung 11 ein kaltes oder vorzugsweise heisses Gas,

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z.B. Luft, mit Hilfe des Gebläses 111 in Richtung des Pfeils A eingeblasen. Zur Aufheizung des Gasstroms kann ein Wärmeaustauscher 112 dienen, der z.B. mit Prozessabwärme versorgt wird.

Mit Hilfe des Brenners 12 kann eine Steuerflamme 121 erzeugt bzw. geregelt werden.

Am unteren Ende 101 des Reaktors 10 ist die Temperatur T4 des Gasstroms am höchsten und beträgt z.B.

900-1200 C, typisch etwa 1000 C, für viele Silikatglassorten.

Am oberen Reaktorende 102 ist die Temperatur T1 des im Reaktor 10 von unten nach oben strömenden Gasstroms am tiefsten und beträgt z.B. 400-200 C.

Der Temperaturgradient oder das Temperaturprofil zwischen T' und T4 ist meist relativ stetig; lediglich zum besseren Verständnis sind in der Figur die Zwischentemperaturbereiche T2 bzw. T3 eingezeichnet, um die Agglomeratzustände zu erläutern.

Der durch die Eintragschleuse 14 eingespeiste Strom aus Agglomeratteilchen 15 fällt annähernd vertikal in Richtung von Pfeil B, d.h. im Gegenstrom zu dem in Richtung des Pfeils C annähernd senkrecht nach oben verlaufenden Gasstrom.

Die Agglomerate 15 werden in einer Granulieranlage 21 erzeugt, die z.B. aus einer Schneckenpresse mit nachgeschalteter Strangschneidemaschine besteht, und von einer Mischanlage 22 mit einem Gemisch aus Glaspulver und einer aus dem Vorratsbehälter 23 eingespeisten wässrigen Alkalisilikatlösung versorgt wird.

Das Glaspulver wird im Anlageteil 3 erzeugt, z.B. in einer Altglasmühle 31 mit nachgeschalteter Sichter- oder Siebanlage 32, oder in einer Anlage 34, in der eine im Schmelzofen 35 erzeugte Glasschmelze im flüssigen Zustand zur Bildung von Feinstglasstaub (Teilchengrössen von 1 |im oder weniger bis 10 (im oder mehr) zerteilt wird.

Die Agglomerate 15 aus Feinglaspulver oder Glasstaub und wässrigem Bindemittel werden in der Temperaturzone T1 (ca. 200-300 C) oberflächlich getrocknet, wodurch nahe der Aussenseite der Agglomerate 15 eine Schicht aus Alkalisilikat entsteht, die sich mit dem Glaspulver bzw. Glasstaub verbindet. Im Bereich der Temperaturzone T2 (300-500 C) werden die Glaspulverteilchen nahe der Aussenfläche der Agglomerate miteinander soweit versintert, dass das im Inneren der Agglomerate vorhandene Treibmittel, z.B. restliches Wasser, nicht mehr frei entweichen kann und in den Agglomeraten unter zunehmender Druckerhöhung eingeschlossen wird. Praktisch gleichzeitig werden die Glasteilchen in den Agglomeraten erweicht, so dass das unter zunehmendem Druck stehende bzw. gebildete Treibmittel zwischen den Glasteilchen eine zunehmende Expansion oder Blähung der Agglomerate bewirkt.

An einer nicht notwendigerweise scharf definierten Grenze G zwischen den Temperaturbereichen T3 (z.B. 500-800cC) und T4 (z.B. 800-1100 C) sind die Agglomerate 151 soweit expandiert, dass sie in dem in Richtung C aufströmenden Gasstrom nicht mehr weiter nach unten absinken. Eine geringfügige weitere Aufblähung oder/und eine entsprechende (nicht dargestellte) Gasstromführung bewirkt, dass die Agglomerate 151, 152 in Gleichstrombewegung mit dem Gasstrom (mit abnehmender Temperatur), jedoch meist mit geringerer Geschwindigkeit als dieser in Richtung von Pfeil D nach oben bewegt und durch die Ableitung 16 aus dem Reaktor 10 ausgetragen werden.

Die Ableitung 16 führt in einen Abscheider 17, wo die noch warmen aber verfestigten expandierten Agglomerate 153 vom Gasstrom abgetrennt und im Sammelbehälter 18 gewonnen werden. Der noch warme Gasstrom kann über die Leitung 19 wieder über das Gebläse 111 in den Reaktor 10 rezirkuliert und gegebenenfalls bei 112 aufgeheizt werden.

Die für den jeweiligen Betrieb mit gegebenem Glasmaterial, gegebener Agglomeratgrösse und gegebenem Solldurchsatz optimalen Anlage- und Betriebsparameter, insbesondere Reaktorlänge, Gasströmungsgeschwindigkeit und Temperaturprofil, können anhand von einfachen Versuchen bestimmt werden. Ferner können übliche Mittel zur Regelung der Strömungsbedingungen im Reaktor, wie Leitflächen, Strö-mungszu- oder -nebenleitungen und dergleichen vorgesehen werden.

Ferner versteht sich, dass die Bewegungsrichtungen der fallenden (nicht-expandierten) Agglomerate und des Gasstroms «vertikal» nur im Sinne einer gesamthaften Gegen-strombewegung zu verstehen sind, die eine erhebliche Wechselwirkung zwischen den Innenwandflächen des Reaktors und den Agglomeraten jedenfalls in dem Bereich vermeidet, in welchem der Glasanteil der Agglomerate soweit erweicht ist, dass Verklebungen zu befürchten wären. Überdies können (nicht dargestellte) Siebe, Gitter oder Leitflächen eine Trennung der nicht-expandierten von den mehr oder weniger vollständig expandierten Agglomeraten erleichtern, wenn dabei Verklebung des erweichten Glases im wesentlichen ausgeschlossen ist.

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1 Blatt Zeichnungen

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1. Verfahren zur Herstellung von geblähtem, mineralischem Korngut, insbesondere zur Verwendung als Zuschlag oder Füllstoff, durch Erhitzen eines Stroms von Blähmittel enthaltenden Glasmaterialteilchen, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Glasmaterialteilchen ein Agglomerat aus fein-teiligem Glaspulver ist, das in einem Reaktor annähernd vertikal fallend in einem heissen Gasstrom in Gegenstrombewe-gung unter mindestens teilweiser Versinterung oder Verschmelzung mindestens bis zur Schwebefähigkeit expandiert und danach in Gleichstrombewegung mit dem Gasstrom aus dem Reaktor ausgetragen und vom Gasstrom getrennt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Agglomerate Durchmesser von 1 bis 5 mm, insbesondere 1 bis 2 mm, haben und jeweils aus einer Vielzahl von aneinander haftenden bzw. miteinander verklebten Glaspulverteilchen mit Durchmessern von 1 bis 5 um, vorzugsweise 2 bis 3 um, bestehen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Agglomerate wässriges Alkalisilikat, z.B. technisches Wasserglas, als temporäres Binde- und als Treibmittel enthalten.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass man zur Herstellung der Agglomerate eine Mischung aus feinteiligem, z.B. 1 bis 10 ^im feinem, Glaspulver und einem wasserhaltigen Bindemittel, z.B. Alkalisilikatlösung, zu dünnen, z.B. 0,5 bis 5 mm starken, Strängen verpresst und die Stränge zu Stücken zerschneidet, deren Länge etwa gleich der Strangstärke ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4 zur Herstellung von geblähtem mineralischem Korngut auf Basis von Silikatglas, gekennzeichnet durch

(a) Bildung eines Stroms von einzelnen körnigen Glas-pulveragglomeraten, die das Bläh- oder Treibmittel und gegebenenfalls ein Bindemittel, vorzugsweise eine wässrige Alkalisilikatlösung, enthalten,

(b) Einführung der Glaspulveragglomerate als fallender Strom aus einzelnen Teilchen nahe dem oberen Ende eines aufsteigenden Gasstroms, dessen Temperatur in der Nähe seines unteren Endes zum Versintern bzw. Verschmelzen der Glaspulveragglomerate ausreicht und dessen Länge sowie Geschwindigkeit bemessen ist, um die Glaspulveragglomerate bis mindestens zur Schwebefähigkeit im Gasaufstrom zu expandieren,

(c) Abführen eines Stroms von expandierten Glaspulver-agglomeraten mit dem Gasaufstrom und

(d) Abrennung der expandierten Glaspulveragglomerate vom Gasstrom.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen annähernd senkrecht angeordneten rohrfömigen Reaktor (10), an dessen oberem Ende (102) eine Schleuse (14) zur Einspeisung von Glaspulveragglomeraten sowie eine Ableitung (16) für den Reaktorgasstrom und die von diesem mitgerissenen expandierten Glasteilchen (153) angeordnet ist, und dessen unteres Ende (101) mit einer Quelle (11) für Gas verbunden ist und Einrichtungen (111, 112, 12) zur Erzeugung eines nach oben durch den Reaktor (10) strömenden Gasstroms aufweist.

7. Nach dem Verfahren gemäss Anspruch 1 hergestelltes geblähtes mineralisches Korngut mit einer von versinterten Glaspulverteilchen und zwischen diesen verteilten Gaseinschlüssen gebildeten Struktur.

8. Korngut nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Korngrösse von 1 bis 10 mm, vorzugsweise 2 bis 4 mm, und eine Dichte von 0,3 bis 1 kg/Liter.

9. Korngut nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine glatte, porenfreie Oberfläche.