DE102006036916A1

DE102006036916A1 - Kern sowie Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102006036916A1
Application number: DE200610036916
Authority: DE
Inventors: Lars Dr. Leidolph; Ulrich Weitz; Toralf Rensch
Original assignee: Ibu Tec & Co KG GmbH; Ibu-Tec & Co KG GmbH
Current assignee: Ibu Tec Advanced Materials AG
Priority date: 2006-08-04
Filing date: 2006-08-04
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2026-08-05
Also published as: DE102006036916B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kern (1), der aus einer Rohstoffmischung, umfassend einen Papierschlamm und mindestens einen weiteren Stoff, gebildet ist, wobei mindestens einer der weiteren Stoffe Sauerstoffverbindungen enthält. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung solcher Kerne (1), bei der die Rohstoffmischung in geeigneter Weise homogenisiert, granuliert und thermisch behandelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen insbesondere keramischen Kern, beispielsweise zur Verwendung bei der Herstellung von Leichtbaukörpern, als Schüttgut in der Bauindustrie oder beim Garten- und Landschaftsbau oder als Stützgranulat in der Erdöl- und Erdgasindustrie. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kerns.
Kerne für die Verwendung als Schüttgut in der Bauindustrie oder beim Garten- und Landschaftsbau werden häufig aus so genanntem Blähton hergestellt. Die Herstellung von Blähton ist seit geraumer Zeit bekannt. Schüttdichte und Festigkeit des Blähtons sind wesentliche Faktoren für seinen kommerziellen Erlös. Grundsätzlich gewünscht sind niedrige Rohdichten bei hohen Festigkeiten. Die bekannte Abhängigkeit, dass die Festigkeit bei niedrigeren Schüttdichten sinkt, wobei das Porenvolumen zunimmt, macht einen Kompromiss dieser beiden Qualitätsparameter in den meisten Fällen notwendig. Für die Anwendung von Blähton als Schüttgut oder zur Verbesserung der Produkteigenschaften von Blähton enthaltenden Produkten (zum Beispiel Leichtbauelemente) ist die Steigerung der Festigkeit bei gleicher Schüttdichte, die Verringerung der Schüttdichte bei vergleichbarer Festigkeit oder im Idealfall die Steigerung der Festigkeit bei niedrigeren Schüttdichten erwünscht. Für die Anwendung von Blähton als Schüttung in der Bauindustrie oder im Garten- und Landschaftsbau sowie zur Herstellung von Leichtbaukörpern findet im wesentlichen Blähton mit einem Kornband zwischen 2 und 16 mm Anwendung. Aufgrund der technologisch bedingten Streuung der Korngröße bei der Blähtonherstellung ergibt sich auch ein geringer Prozentsatz im Kornbereich von 0-2 mm. Dieser Korngrößenbereich wird zwar in der Blähtonindustrie mit verarbeitet, eine besondere Verwendung gibt es jedoch für diese Fraktion nicht.
Dieser Korngrößenbereich von 0-2mm ist prinzipiell für das so genannte Stützgranulat für die Erdöl- und Erdgasförderung verwendbar. Stützgranulate werden eingesetzt, um geologische Formationen auch bei aufgrund der Erdöl- und Erdgasförderung nachlassendem Druck dauerhaft offen zu halten. Erdöl- und Erdgasvorkommen liegen in porösen geologischen Formationen. Die Durchlässigkeit der Gesteinsformation ist entscheidend für den wirtschaftlichen Abbau dieser Vorkommen. Häufig sinkt die Durchlässigkeit der Gesteinsformation über den Förderzeitraum so, dass die Ausbeutung der Vorkommen unwirtschaftlich wird, manchmal ist die Durchlässigkeit auch von vornherein zu gering. In diesen Fällen bricht man die Gesteinsformationen hydraulisch auf, indem Flüssigkeiten unter hinreichend hohem Druck hineingepresst werden, um Spannungen und infolgedessen Brüche bzw. Kapillaren zu erzeugen, die die Durchlässigkeit verbessern.
An die Stützgranulate werden besondere Qualitätsanforderungen gestellt. So müssen diese Stützgranulate beispielsweise eine hohe Festigkeit und eine hohe Rundheit aufweisen. Die Rundheit der Kerne aus der Blähtonherstellung im Kornbereich 0 bis 2 mm ist jedoch für den Einsatz als Stützgranulat, sowohl beschichtet, als auch unbeschichtet, ungeeignet. Ursache dafür ist, dass sich in diesem Kornbereich zusätzlich Abplatzungen von größeren Kernen ansammeln. Zudem weisen die Kerne in dieser Kornfraktion eine deutlich schlechtere Festigkeit als gefordert auf. Der Grund liegt in der technologischen Prozessführung der Blähtonherstellung. Dort werden maximale Temperaturen von ca. 1200 °C erreicht, die dann entsprechend zum gewünschten Blähen der Kerne führen. Dieser Bläheffekt tritt auch bei Kernen dieser niedrigen Kornfraktion auf, was zu einer geringen Festigkeit aufgrund der zu hohen Porosität führt.
Andere Stützgranulate sind zum Beispiel aus der DE 19532844 C1 bekannt. In dieser und anderen Veröffentlichungen bestehen die Stützgranulate aus rein anorganischen Komponenten mit sehr hohen Anteilen an Al₂O₃, um die Bildung von Alumosilikaten bzw. Korund zu erreichen. Diese Minerale weisen eine sehr hohe Festigkeit auf, was ihren Einsatz als Stützgranulat auch in großen Bohrtiefen bei entsprechend hohen Gesteinsdrücken ermöglicht. Ziel ist hier durch die Wahl der Einsatzstoffe sowie der Prozessparameter, eine hohe Sinterdichte (geringe Porosität) im Kern zu erreichen. Entsprechend ist die Rohdichte dieser Stützgranulate relativ hoch, so dass sie sich beim Befüllen der Gesteinsformation frühzeitig ablagern und entferntere Bereiche nicht erreichen, so dass diese nicht für eine Ausbeutung zur Verfügung stehen. Entsprechend ist der erzielte positive Effekt der Sicherstellung der Durchlässigkeit der Gesteinsformation entgegen dem wirkenden Gebirgsdruck nur für einen eng begrenzten Bereich wirksam. Die Säurebeständigkeit dieser Stützgranulate ist gering.
Des Weiteren sind Stützgranulate allgemein bekannt, die durch Granulierung von pulverförmigen Ausgangsmaterialien in Kombination mit Harzen und anschließender Aushärtung der Harze hergestellt werden. Das flüssige Harz dient bei der Granulierung als Bindemittel. Vorteil dieser sogenannten Komposite ist die sehr hohe Säureresistenz bei ausreichender Festigkeit. Nachteilig sind hier jedoch hohe Herstellungskosten, da die Ausbeute im notwendigen Kornbereich zum Beispiel 20 bis 40 Mesh (abhängig von Anwendungsfall) ≤ 35 % liegen. Entsprechend tritt zusätzlich eine Entsorgungsaufgabe für Über- und Unterkorn auf.
Granulate auf der Basis von anorganischen Pulvern, eingebunden in eine ausgehärtete Harzmatrix, weisen außerdem Rohdichten von > 2 g/cm³ auf. Die Rohdichte kann in diesem Fall nur durch Zugabe von organischen Materialien reduziert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen verbesserten Kern, insbesondere zur Verwendung als Schüttgut in der Bauindustrie, im Garten- oder Landschaftsbau, bei der Herstellung von Leichtbaukörpern oder als Stützgranulat für die Erdöl- oder Erdgasförderung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kernes anzugeben.
Die Aufgabe wird hinsichtlich des Kerns erfindungsgemäß gelöst durch einen Kern mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung eines solchen Kerns wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen eines der Ansprüche 18 oder 19.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der erfindungsgemäße Kern ist aus einer Rohstoffmischung gebildet, die zumindest einen Papierschlamm und mindestens einen weiteren Stoff, der Sauerstoffverbindungen enthält, umfasst. Als Kern soll ein in grober Näherung kugelförmiges keramisches Gebilde verstanden werden. Papierschlämme bestehen im Wesentlichen aus den Feststoffen Zellulosefasern, Kaolin (auch als China Clay bezeichnet), Karbonaten wie Calcit oder Dolomit sowie weiteren Nebenbestandteilen (<10% des Feststoffanteils) und aus Wasser. Der Wassergehalt kann dabei zwischen 20-70 % variieren. Mengenangaben in % sollen hier wie im Folgenden immer als Masse % verstanden werden. Solche Papierschlämme stammen beispielsweise aus dem Recycling von Papier. Mindestens einer der im Papierschlamm enthaltenen Stoffe dient der Ausbildung einer Schmelzphase im Kern während einer thermischen Behandlung, was zu einer hohen Festigkeit, niedriger Schüttdichte, insbesondere jedoch niedriger Rohdichte durch die Schließung offener Poren führt. Die Rohdichte eines Kernes wird in einem flüssigen Medium bestimmt, berücksichtigt also seine offene Porosität. Vorteilhaft an der Verwendung von Papierschlamm ist außerdem, dass dieser beim Papierrecycling anfallende Stoff nicht auf andere Weise verwertet werden muss, so dass beispielsweise verglichen mit der Verbrennung des Papierschlamms, die aufgrund des hohen Wassergehaltes einen vergleichsweise geringen Energieüberschuss erbringt, keine Reststoffe, wie Aschen, entsorgt werden müssen.
Der Sauerstoffverbindungen enthaltende weitere Stoff ist vorzugsweise ein Ton. Alternativ oder zusätzlich können als weitere Stoffe Aschen und/oder Stäube aus thermischen Prozessen, wie zum Beispiel Braunkohlefilterasche oder Müllverbrennungsstäube verwendet werden, womit weniger oder kein Ton benötigt wird und gleichzeitig andere Entsorgungswege für diese Aschen und Stäube entfallen. Bei der thermischen Behandlung von Tonen bildet sich ein Brennprodukt, welches im Wesentlichen aus verschiedenen Oxiden zusammengesetzt ist. Ähnliche Oxidgemische entstehen auch in Kraftwerken bzw. Müllverbrennungsanlagen als Resultat der thermischen Behandlung in Form von Aschen und Stäuben. Daher ist es möglich, den Ton zumindest teilweise durch diese Aschen und Stäube zu ersetzen.
Erfindungsgemäß werden die Rohstoffkomponenten gemischt, zur Kernbildung granuliert oder extrudiert und anschließend einer thermischen Behandlung, vorzugsweise im Temperaturbereich von 600 °C bis 1300 °C, unterzogen. Extruder sind Schneckenpressen, die nach dem Funktionsprinzip des Fleischwolfes feste bis dickflüssige Massen unter hohem Druck gleichmäßig aus einer formgebenden Öffnung herauspressen. Dieses Verfahren wird als Extrusion bezeichnet. Die resultierende Form sind zunächst längliche Würste bestehend aus der Rohstoffmischung mit einer definierten Wassermenge. Diese länglichen Würste zerbrechen im Bereich der Trockenzone des Ofens und bilden damit annähernd eine Kernform, die im weiteren Verlauf während der thermischen Behandlung, zum Beispiel in einem Drehrohrofen, zusätzlich abgerundet werden.
Alternativ erfolgt die Mischung so, dass sich eine Suspension ergibt, die in einen thermischen Reaktor, insbesondere einen Sprühtrockner oder einen Wirbelschichtreaktor, eingesprüht wird, wo die Bildung der Kerne erfolgt. Anschließend findet eine thermische Behandlung statt, vorzugsweise im Temperaturbereich von 600°C bis 1300°C. Die Prozessbedingungen sind dabei in der Weise zu wählen, dass sich Kerne in der gewünschten Kornfraktion bilden. Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die Ausbeute an Kernmaterial in der gewünschten Kornfraktion und die Rundheit der Kerne sehr hoch ist.
Für die Konditionierung der Rohstoffmischung zu einer Suspension kann die Zugabe eines flüssigen Mediums vorteilhaft sein.
In einer weiteren Ausführungsform können als weiterer Stoff ein Schmelzphasenbildner, insbesondere Alkalicarbonate und/oder Alkalihydroxide und/oder Alkalilauge, vorgesehen sein, der die Ausbildung der Schmelzphase zusätzlich unterstützt. Der Anteil des Schmelzphasenbildners an der Rohstoffmischung ist vorzugsweise kleiner als 20 % bezogen auf die trockene Rohstoffmischung, um einen besonders leichten Kern mit einer hinreichend hohen Festigkeit zu erhalten. Insbesondere im Oberflächenbereich des Kernmaterials soll die offene Porosität verkleinert bzw. vollständig reduziert werden. Grundvoraussetzung dafür ist das Ausbilden einer partiellen Schmelzphase im Kern im Bereich der Sinterzone. Die Ausbildung eines ausreichenden Schmelzphasenanteils bei Sintertemperatur wird maßgeblich durch Art und Quantität des Schmelzphasenbildners bestimmt. Im thermischen Prozess im Bereich der Aufheizung bis zur Sinterzone ist die Temperatur an der Oberfläche des Kerns zwangsweise höher als im Inneren. Entsprechend bildet sich gerade an der Oberfläche ein höherer Anteil an Schmelzphase. Die Prozessführung wird so gesteuert, dass der höhere Schmelzphasenanteil an der Kernoberfläche die Poren verschließt, der niedrigere Anteil an Schmelzphase im Inneren des Kerns jedoch die Porenstruktur weitestgehend unberührt lässt.
Die Rohstoffmischung enthält vorzugsweise weniger als 35 % Al₂O₃. Durch diesen geringen Prozentsatz wird gezielt auf die Bildung von Alumosilikaten bzw. Korund bei einer thermischen Behandlung verzichtet, da diese Stoffe zwar eine hohe Festigkeit, allerdings auch eine hohe Rohdichte aufweisen, die in vielen Anwendungsfällen unerwünscht ist. Vielmehr wird die Ausbildung einer mit Blähton vergleichbaren Mineralphasenzusammensetzung angestrebt. Diese Mineralphasen weisen eine niedrigere Rohdichte als Alumosilikate bzw. Korund auf.
Vorzugsweise beträgt die Rohdichte weniger als 1,8 g/cm³ im thermisch behandelten Zustand, bevorzugt weniger als 1,6 g/cm³, besonders bevorzugt weniger als 1,4 g/cm³. Eine niedrige Rohdichte ist erstrebenswert für Anwendungen der Kerne in der Baustoffindustrie sowie als Stützgranulat bei der Erdöl- und Erdgasgewinnung. Offene Porosität wird hingegen bei der Verwendung als so genanntes Toncalcinat für zum Beispiel die Anwendung im Garten- und Landschaftsbau bevorzugt.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Kern im thermisch behandelten Zustand eine Korngröße von 0 bis 2 mm auf, wodurch er besonders für den Einsatz als Stützgranulat in der Erdöl- und Erdgasförderung geeignet ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Kern im thermisch behandelten Zustand eine Korngröße von 2 mm bis 20 mm, insbesondere von 2 mm bis 16 mm auf, wodurch er besonders für den Einsatz in der Bauindustrie, im Landschafts- oder Gartenbau oder im Dekorationsbereich geeignet ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Kern im thermisch behandelten Zustand eine Korngröße von 0 bis 5 mm, insbesondere von 1 mm bis 4 mm auf, wodurch er besonders für den Einsatz im Dekorationsbereich, beispielsweise für Pflanzkübel im Innen- und Außenbereich geeignet ist.
Der Rohstoffmischung können weitere geeignete organische Materialien, wie Holzstäube, Getreidemehl, Kunststoffgranulate oder Kunststoffstäube beigegeben werden. Diese werden während der thermischen Behandlung vollständig verbrannt und sorgen somit für eine zusätzliche Porenbildung in den Kernen mit der Folge einer geringeren Rohdichte. Aufgrund der vollständigen Verbrennung der organischen Komponenten müssen die thermisch behandelten Kerne trotz der Zugabe von organischen Materialien zur Rohstoffmischung als ausschließlich anorganisches Kernmaterial charakterisiert werden.
Üblicherweise erfolgt die Energiezufuhr zu den Kernen bei der thermischen Behandlung im Drehrohrofen bzw. Wirbelschicht von außen zum Beispiel über einen Brenner. Unbeachtet davon kann jedoch auch ein Teil der notwendigen Wärmemenge zur Erhitzung der Kerne bis zur Sintertemperatur durch eine geeignete Zusammensetzung der Rohstoffmischung geliefert werden. Dies trifft beispielsweise bei der Ausnutzung des kalorischen Inhalts des Papierabfalls zu. Neben der erfindungsgemäßen Verwendung des Papierabfalls können der Rohstoffmischung in vorteilhafter Weiser weitere flüssige und/oder feste hochkalorische organische Stoffe hinzugegeben werden, um intragranular Energiefreizusetzung während des thermischen Prozesses zu erzielen. Die intragranulare Energiefreisetzung ist eine einfache zusätzliche Möglichkeit, den Kern zu erwärmen. Durch Zugabe von kalorischen Komponenten, z. B. von Braunkohlenstaub oder Olen, wird ein Teil der erforderlichen Energie zum Erhitzen darüber geliefert und damit für die Hauptfeuerung weniger Energie benötigt. Vorteilhaft ist dies besonders dann, wenn es sich bei den kalorischen Komponenten um Abfälle handelt. Zusätzlich werden durch Verbrennen von kalorischen Komponenten Poren gebildet, die sich wiederum vorteilhaft auf die Dichte des Produktes auswirken. In einer möglichen Ausführungsform erfolgt die Zugabe der kalorischen Komponenten bei der Bildung der Kerne, so dass die Komponenten homogen im Kern verteilt sind. Die kalorischen Komponenten können aber auch an einer anderen geeigneten Stelle während des Herstellungsverfahrens zugeführt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform, insbesondere für die Anwendung des Kerns als Stützgranulat in der Erdöl- und Erdgasindustrie, wird der thermisch behandelte Kern beschichtet und/oder imprägniert. Dies dient der zusätzlichen Erhöhung der Festigkeit und der Verbesserung der Säurebeständigkeit. Durch eine geeignete Beschichtung aus anorganischem und/oder organischem Material werden vergleichbare Säurebeständigkeiten und Festigkeiten wie bei Kompositkernen erreicht, hier jedoch mit Rohdichten von < 1,8 g/cm³.
Für die Beschichtung ergibt sich die Notwendigkeit, dass das Kornband der thermisch behandelten Kerne niedriger ist (zum Beispiel 60-20 Mesh) als das gewünschte Kornband der beschichteten Kerne (zum Beispiel 40-16 Mesh). Die Differenz der Kornbänder hängt von der aufzubringenden Schichtdicke ab. Bei geeigneter Abstimmung des Kornbandes der Kerne werden Produktausbeuten von > 60 % erreicht. Damit steigt die wirtschaftliche Effizienz der Herstellung von beschichtetem Stützgranulat, weil die Materialkosten der aufzubringenden Beschichtung meist deutlich über denen des Kernmaterials liegen.
Die Oberfläche des Kerns muss für eine solche Beschichtung besonders geeignet sein. Zum Beispiel muss das Eindringen von Beschichtungsmaterial in den Kern verhindert werden. Des Weiteren muss die Oberfläche auch eine gewisse Rauhigkeit aufweisen, um ein Haften der Beschichtung zu ermöglichen und Abplatzungen am Endprodukt zu verhindern.
Die Beschaffenheit der Oberfläche kann über den Ablauf der thermischen Behandlung eingestellt werden, speziell über die Steuerung der maximalen Materialtemperatur.
Grundvoraussetzung dafür ist das Ausbilden einer partiellen Schmelzphase im Kern im Bereich der Sinterzone. Die Ausbildung eines ausreichenden Schmelzphasenanteils bei maximaler Materialtemperatur wird maßgeblich durch Art und Quantität des Mischungsverhältnisses zwischen eingesetztem Ton und Papierschlamm bestimmt. Vorzugsweise beträgt der Anteil des Papierschlamms weniger als 50 %, insbesondere weniger als 20 %, besonders bevorzugt weniger als 10% der Rohstoffmischung, bezogen auf deren Feststoffgehalt. Bei der thermischen Behandlung im Bereich der Aufheizung bis zur Sinterzone ist die Temperatur an der Oberfläche des Kerns zwangsweise höher als im Inneren. Entsprechend bildet sich gerade an der Oberfläche ein höherer Anteil an Schmelzphase. Der Prozess wird so gesteuert, dass der höhere Schmelzphasenanteil an der Kernoberfläche die Poren verschließt, der niedrigere Anteil an Schmelzphase im Inneren des Kerns jedoch die Porenstruktur weitestgehend unberührt lässt. Damit stellt die Rohstoffzusammensetzung neben den Prozessparametern eine wesentliche Steuergröße für die Beschaffenheit der Oberfläche der Kerne dar.
Durch die weitestgehende Verhinderung des Eindringens von Beschichtungsmaterial in den Kern können Rohdichten des beschichteten Kerns von weniger als 1,8 g/cm³ erreicht werden, denn anderenfalls erhöht sich die Rohdichte des Kerns durch das zusätzlich eingedrungene Beschichtungsmaterial. Eine derart geschlossene Oberfläche des Kerns sorgt zusätzlich für eine Einsparung der Beschichtungs- oder Imprägnierungskomponenten. Somit beeinflussen die Prozessparameter sowie die Rohstoffmischung maßgeblich die charakteristischen Merkmale des resultierenden Kerns.
Zur Erhöhung der Ausbeute an Kernen in der gewünschten Fraktion können zur Bildung der Kerne Hilfsstoffe, wie z.B. Verflüssiger, Entmischer, Deagglomeranten, Säuren und/oder Basen zugegeben werden. Ziel ist dabei die gezielte Veränderung der sich ausbildenden Bindekräfte zwischen den Partikeln, z.B. zwischen Tonpartikeln. Diese Bindekräfte bestimmen maßgeblich die Form des sich ausbildenden Kerns sowie die Breite des Kornspektrums. Beispielsweise kann durch den pH-Wert eingestellt werden, ob sich die Kanten der Tonpartikel oder die Flächen miteinander verknüpfen. Folglich ändert sich dabei die Art des sich ausbildenden Gefüges mit dem Resultat der Veränderung der Form des Kerns (rund oder kantig) und der Stärke der Bindungskräfte.
Soll die Kernbildung durch Einsprühen in einen thermischen Reaktor erfolgen, können zur Einstellung der notwendigen Eigenschaften einer Suspension wie zum Beispiel Fließverhalten, geeignete Hilfsstoffe, zum Beispiel Fließmittel, zugegeben werden.
Zur Erhöhung der Festigkeit der thermisch unbehandelten Kerne können als Hilfsstoffe zusätzliche Bindemittel, zum Beispiel Leime und/oder Zellulosen, eingesetzt werden. Diese können in fester und/oder flüssiger Form der Rohstoffmischung und/oder dem flüssigen Granulier- bzw. Suspendiermediums (zum Beispiel Wasser) zugegeben werden. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn die physikalische Beanspruchung der Kerne in den folgenden Prozessschritten hoch und die Bindewirkung der Tonpartikel dafür unzureichend ist. Dies gilt insbesondere für die thermische Behandlung in einer Wirbelschicht oder einem vergleichbaren thermischen Reaktor.
Mischen und Granulieren können in einem Mischer bzw. Granulierer unter Zugabe eines flüssigen Granuliermediums, vorzugsweise Wasser, erfolgen. Die resultierende Form der Kerne in diesem Stadium ihrer Herstellung (so genanntes Grüngranulat) nähert sich dabei einer Kugelform, jedoch können in Abhängigkeit der zugegebenen Wassermenge und/oder der spezifischen Eigenschaften der Rohstoffmischung, speziell der plastischen Eigenschaften des Tones, Abweichungen von der Kugelform auftreten. Daher kommen nachgeschaltet bevorzugt weitere Aggregate, wie zum Beispiel Granulierteller, mit dem Ziel der Verbesserung der Rundheit der Kerne zum Einsatz. Grundsätzlich wünschenswert sind runde Kerne nach der thermischen Behandlung. Teilweise wird das eingesetzte Grüngranulat bei der thermischen Behandlung zusätzlich gerundet. Die trifft besonders bei Einsatz eines Drehrohrofens zu, dort besonders in der Blähzohne, also bei sehr hohen Temperaturen. Bei der Herstellung von Kernen mit Schüttdichten zwischen 500 kg/m³ bis 900 kg/m³, zum Beispiel zum Einsatz als Stützgranulat in der Erdöl- oder Erdgasindustrie, ist der Bläheffekt und damit auch der Rundungseffekt in einem Drehrohrofen deutlich reduziert. Dort ist eine Form der beschriebenen zusätzlichen Rundung des Grüngranulates vorteilhaft.
Zur Erhöhung der Ausbeute an thermisch behandelten Kernen in der notwendigen Kornfraktion können der Rohstoffmischung vor und/oder während des Granulierens so genannte Keimlinge zugegeben werden. Das Kornband dieser Keimlinge liegt zweckmäßigerweise unter dem Kornband der gewünschten Kornfraktion des gebrannten Kernmaterials. In einer Ausführungsform kann das Unterkorn von vor oder nach der thermischen Behandlung abgesiebten Kernen als Keimling für die Granulierung verwendet werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann ein Trennmittel, insbesondere Quarzmehl, Kalksteinmehl oder Dolomitmehl eingesetzt werden, um eine Verklumpung der Kerne vor oder während der thermischen Behandlung zu verhindern und damit die Ausbeute an verwertbaren Kernen zu erhöhen. Die Kerne werden hierzu vor der thermischen Behandlung mit dem Trennmittel gepudert. Alternativ wird das Trennmittel während der thermischen Behandlung in die Brennzone oder Sinterzone eingeblasen. Beispielsweise wird das Trennmittel zur Verhinderung von Agglomeration in der Sinterzone im maximalen Temperaturbereich eingesetzt.
Die thermische Behandlung der Kerne kann in jedem thermischen Reaktor erfolgen, in dem die notwendigen Sintertemperaturen von 600-1300 °C erreicht werden. Dies umfasst beispielsweise jegliche erdenkliche Ausführungsform von direkt und indirekt beheizten Drehrohröfen, Wirbelschichtanlagen, Schachtöfen etc.
Vorzugsweise wird die Temperatur bei der thermischen Behandlung so gesteuert oder geregelt bzw. werden die Mengenverhältnisse der Rohstoffkomponenten so gewählt oder erfolgt die Bildung der Kerne so, dass Kerne in einem vorgegebenen Kornband gebildet werden.
Die Rohstoffzusammensetzung stellt eine wichtige Einstellgröße für die Schüttdichte und die Festigkeit der Kerne dar. Damit ergibt sich die Möglichkeit, über die Rohstoffzusammensetzung die Produkteigenschaften gezielt an die anwendungsspezifischen Anforderungen anzupassen. So lässt sich beispielsweise über die Steuerung des Anteils an Papierschlamm die Schüttdichte (also die Bläheigenschaften) und die Festigkeit des Produktes beeinflussen. Der Prozess der Kernherstellung wird von rohstoffspezifischen aber auch von verfahrenstechnischen Parameter beeinflusst. Eine Erhöhung des Papierschlammanteils kann abhängig von der Spezifikation des Tones, des Papierschlammes und gegebenenfalls weiterer Stoffe der Rohstoffmischung zur Erhöhung oder Verringerung der Schüttdichte führen. Neben der Beeinflussung der Produktparameter durch die Rohstoffzusammensetzung kann auch durch Veränderung von verfahrenstechnischen Parametern Einfluss auf die Qualität der Kerne genommen werden. Eine wesentliche verfahrenstechnische Steuergröße ist dabei das Temperaturprofil einschließlich der maximalen Brenntemperatur.
Zur Herstellung besonders geblähter Kerne, beispielsweise für den Garten- und Landschaftsbau wird ein Temperaturbereich von 1000-1200°C bevorzugt. Besonders hohe Festigkeiten der Kerne, beispielsweise zur Verwendung als Stützgranulate, werden hingegen im Temperaturbereich 800-1000°C erzielt.
Neben der beschriebenen Beeinflussung der Schüttdichte des Produkts kann auch die Beeinflussung der Rohdichte mittels der Rohstoffzusammensetzung bzw. verfahrenstechnische Parameter erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform schließt sich an die thermische Behandlung ein Kühlungsprozess an.
Eine mögliche Beschichtung und oder Imprägnierung der Kerne, beispielsweise für die Anwendung als Stützgranulat in der Erdöl- und Ergasindustrie findet vorzugsweise während oder nach diesem Kühlungsprozess, zum Beispiel durch Aufsprühen, statt. In vorteilhafter Weise kann dadurch die restliche Wärmeenergie zum Trocknen und/oder Aushärten der aufgebrachten Schicht verwendet werden.
Alternativ kann eine Beschichtung in einem Mischer, Granulierer, Granulierteller oder Ähnlichem erfolgen.
Eine Beschichtungsmischung zur Beschichtung des Kerns besteht aus mindestens einem Bindemittel. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Bindemittel aus einem aushärtbaren Harz in flüssiger Form, beispielsweise aus der Gruppe Epoxydharze, Novalakharze, Resolharze, Orthoharze. Die Vernetzung der Harze (Aushärtung) kann beispielsweise unter Zuführung von Wärme erfolgen. In einer anderen Ausführungsform erfolgt die Aushärtung im kalten Zustand durch die Zuführung von Vernetzungsmitteln bzw. konventionellen Additiven in der Harzindustrie.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das erwärmte Kernmaterial mit einem Pulverharz in Verbindung gebracht. Dabei tritt das Pulverharz mit der Kernoberfläche in Kontakt, erwärmt sich durch die erwärmten Kerne bis zum Aufschmelzen, umhüllt den Kern zumindest teilweise und härtet an der Oberfläche aus. Dieser Beschichtungsvorgang kann beispielsweise direkt im Anschluss an die Kernherstellung, zum Beispiel in einem Trommelkühlerbei Materialtemperaturen > 80 °C durch Pudern der Kerne erfolgen.
Neben dem Bindemittel kann die Beschichtungsmischung weitere Stoffe (Additive) beinhalten. Mittels dieser können die Eigenschaften der Beschichtung und damit die Eigenschaften des beschichteten Kerns eingestellt werden.
Additive wie Quarzmehl, Glasmehl oder Mineralmehle erhöhen die Festigkeit des beschichteten Kerns und verringern die Verformbarkeit der Beschichtungshülle. Eine möglichst geringe Verformbarkeit der Beschichtungshülle ist bei Stützgranulaten erwünscht, da auch unterirdisch bei hohen Drücken die sphärische Form erhalten bleiben soll, um die Durchlässigkeit der Schüttung sicher zu stellen.
Weiterhin eignen sich als Additive jegliche Art von organischen Mehlen, beispielsweise, Weizenmehle, Olivenmehle, Plastikmehle etc. Diese organischen Mehle verringern beispielsweise in vorteilhafter Weise die Dichte des beschichteten Granulates.
Neben diesen beschriebenen Additiven können auch so genannte Pulverharze zugegeben werden. Durch die Zugabe von Pulverharzen kann das Verhältnis zwischen Bindemittelmatrix, zum Beispiel Harzmatrix, und Additiven (Füllstoffen) zu Gunsten der Bindemittelmatrix verändert werden. Das Verhältnis zwischen Bindemittel (zum Granulieren flüssig) und Additiven (meist in fester Form) ist aufgrund der Stoffeigenschaften, Benetzbarkeit der Oberfläche der Additive bzw. des Kerns etc., im technischen Produktionsbetrieb annähernd vorgegeben. Eine Variation ist nur im geringen Bereich möglich. Durch die Zugabe von Pulverharzen kann dieses Verhältnis verändert werden und durch den resultierenden höheren Anteil an Bindemittelmatrix in der Beschichtungshülle können die Eigenschaften, wie beispielsweise Festigkeit, dieser Beschichtungshülle beeinflusst werden. In einer bevorzugten Ausführungsform härtet zunächst das zugegebene flüssige Bindemittel (z.B. Harz) zumindest teilweise aus und erst dann verflüssigt sich das Pulverharz und härtet anschließend ebenfalls zumindest teilweise aus. Dadurch wird verhindert, dass die Beschichtungshülle im thermischen Prozess zu flüssig wird und die Kernform verliert.
Zur Imprägnierung kommen alle Stoffe, vorzugsweise in flüssiger Form, in Frage, die die Oberflächeneigenschaften des Kerns in gewünschter Weise verändern. Beispielsweise kann ein Tensid oder Ähnliches auf die Oberfläche aufgebracht werden, welches die Benetzbarkeit verbessert.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht eines Kerns ohne Beschichtung,
2 eine schematische Schnittansicht eines Kerns mit Beschichtung,
3 eine schematische Ansicht einer Drehrohrofenanlage für die thermische Behandlung von Kernen, und
4 eine schematische Ansicht einer Wirbelschichtanlage für die thermische Behandlung von Kernen.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 zeigt eine Ausführungsform eines Kerns 1. Der im Wesentlichen kugelförmige Kern 1 ist hier ohne Beschichtung als ein ausgehärteter Kern im thermisch behandelten Zustand gezeigt, der aus einer Rohstoffmischung aus einem Papierschlamm und mindestens einem weiteren, Sauerstoffverbindungen enthaltenden, Stoff gebildet, wobei die Rohstoffmischung eine Al₂O₃-Konzentration von weniger als 35% aufweist. Der Kern 1 weist im thermisch behandelten Zustand eine Rohdichte von weniger als 1,8 g/cm³ auf.
In 2 ist eine Ausführungsform eines Kerns 1 mit einer Beschichtung 2 gezeigt. Der keramische, im Wesentlichen kugelförmige Kern 1 kann von einer Beschichtung 2 umgeben sein, wie dies durch die gestrichelte Linie angedeutet ist.
Der Ton enthält weniger als 35 % Al₂O₃, so dass keine Alumosilikate bzw. Korund entstehen. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Kerns 1 ist bei einem Ton gegeben, der einen Anteil von weniger als 25 % Al₂O₃ aufweist. Anstelle von Ton können auch Aschen oder Stäube aus thermischen Prozessen eingesetzt werden.
Um einen besonders leichten Kern 1 mit einer hinreichend hohen Festigkeit zu erhalten, kann ein Schmelzphasenbildner vorgesehen sein, dessen Anteil, bezogen auf die trockene Gesamtmasse, weniger als 20 % beträgt. Als Schmelzphasenbildner werden beispielsweise Alkalicarbonate und/oder Alkalihydroxide verwendet.
Durch die Zusammensetzung der Rohstoffmischung des Kerns 1 und durch deren anschließende thermische Behandlung entsteht ein Kern 1, der eine Rohdichte von weniger als 1,8 g/cm³ und, je nach Anwendungsfall, einen Durchmesser von 0,2 mm bis 2 mm bzw. von 2 mm bis 20 mm aufweist.
Je nach Einsatz und Funktion kann der Kern 1 anschließend zusätzlich beschichtet oder imprägniert werden.
Die Beschichtung 2 besteht aus einem Harz bzw. Harzgemisch mit oder ohne zusätzliche Komponenten zur Verstärkung der Vernetzbarkeit, wie zum Beispiel Gesteinsmehle.
In 3 ist ein Drehrohrofen 3 als Beispiel einer möglichen Ausführungsform für eine Anlage zur thermischen Behandlung der thermisch unbehandelten Kerne 1.1 (auch Grüngranulat genannt) gezeigt. Ein unbehandelter Kern 1.1 mit der oben beschriebenen Zusammensetzung aus Ton und Schmelzphasenbildner wird nach der Granulierung dem thermischen Prozess zugeführt. Der Drehrohrofen 3 kann indirekt, z. B. durch äußere elektrische Heizstäbe, oder direkt, z. B. durch einen Brenner, beheizt werden. Alternativ kann anstelle eines Drehrohrofens 3 ein Wirbelschichtreaktor eingesetzt werden.
Das Ausführungsbeispiel nach 3 zeigt einen Drehrohrofen 3 mit direkter Befeuerung durch einen Brenner 4. Die unbehandelten Kerne 1.1 werden dem Drehrohrofen 3 zugeführt und in der durch den Brenner 4 erhitzten Sinterzone 5 thermisch behandelt. In die Sinterzone 5 kann zusätzlich ein Trennmittel 6, z. B. Quarzmehl, Kalksteinmehl oder Dolomitmehl, eingebracht werden. Die thermisch behandelten Kerne 1.2 (auch gebrannte Kerne genannt) werden dem Drehrohrofen 3 entnommen und in einem Trommelkühler 7 abgekühlt. Am Ende des Trommelkühlers 7 können die abgekühlten Kerne 1.3 (auch kalte Kerne genannt) je nach Vorgabe abgepackt oder einem weiteren Behandlungsschritt, z. B. einem Beschichtungs- oder Imprägnierverfahren zugeführt werden. Die Beschichtung kann alternativ auch während des Kühlungsprozesses erfolgen, z.B. durch Aufsprühen.
In 4 ist eine Wirbelschichtanlage 12 als Beispiel einer möglichen Ausführungsform für eine Anlage zur Herstellung der gewünschten Kernform und der thermischen Behandlung dieser Kerne 1 gezeigt.
Aus der Rohstoffmischung mit oben beschriebener Zusammensetzung wird eine geeignete Suspension (Schlicker) 8 hergestellt. Dazu wird der Rohstoffmischung ein geeignetes flüssiges Medium, vorzugsweise Wasser, zugegeben. Zur Einstellung der notwendigen Eigenschaften der Suspension 8, wie zum Beispiel Fließverhalten, können geeignete Hilfsmittel, zum Beispiel Fließmittel, zugegeben werden. Weiterhin können zusätzliche Bindemittel, wie zum Beispiel Leime, Bestandteil der hergestellten Suspension 8 sein.
Diese Suspension 8 wird in geeigneter Weise in den Wirbelschichtreaktor 12 über eine Zweistoffdüse 13 kontinuierlich in der Art eingebracht, dass sich möglichst kugelförmige Partikel mit einer eng begrenzten Partikelverteilung möglichst im gewünschten Kornband ausbilden.
Das notwendige Prozessgas wird in einem Heißgaserzeuger 11 erzeugt. Ein Abscheider 10 wird so eingestellt, dass nur thermisch behandelte Kerne 1.2 mit der gewünschten Korngröße ausgetragen werden. Zu kleine, thermisch behandelte Kerne 1.2 gelangen als Keimlinge zurück in den Reaktionsraum 9. Am Ende des Abscheiders 10 können die abgekühlten Kerne 1.3 je nach Vorgabe abgepackt oder einem weiteren Behandlungsschritt, z. B. einem Beschichtungs- oder Imprägnierverfahren zugeführt werden.
Nachfolgend werden einige bevorzugte Ausführungsbeispiele für die Herstellung von Kernen 1 nach dem oben beschriebenen Verfahren aufgeführt:
Ausführungsbeispiel 1:

Beim Ausführungsbeispiel 1 werden für die Kerne 1 als Komponenten der Rohstoffmischung ein Ton, hier ein Rohton und ein Papierschlamm der folgenden Spezifikation eingesetzt: Tabelle 1: Zusammensetzung der Rohstoffmischung

		Ton	Papierschlamm
SiO₂	[%]	53,45	12,20
Al₂O₃	[%]	17,38	7,56
TiO₂	[%]	0,45	0,03
Fe₂O₃	[%]	12,08	0,41
CaO	[%]	2,23	14,21
CO_2/carb.	[%]	1,51	12,70
FOrganik	[%]	0,11	48,1

H₂O⁺		[%]	6,0	2,73
GV		[%]	8,21	62,92
H₂O		[%]	27,7	36,7
Illit/Muskovit	KAl₂Si₃AlO₁₀(OH)₂	[%]	27
Kaolinit/fire clay	Al₂Si₂O₅(OH)₄	[%]	7	19,5
Montmorillonit	Na_0,3(Al,Mg)₂Si₄O₁₀(OH)₂*4H₂O	[%]	16
Calcit	CaCO₃	[%]	3,5	22
Dolomit	CaMg(CO₃)₂			6
Quarz	SiO₂	[%]	27	4
Goethit	FeOOH	[%]	13
Feldspäte	KAlSi₃O₈ CaAl₂Si₂O₈	[%]	5

Der Rohton wird zunächst getrocknet (Restfeuchte 6 %) und anschließend aufgemahlen. Der Papierschlamm wird nicht getrocknet. Für die Rohstoffmischung werden Ton mit einem Masseanteil von 88 % und Papierschlamm mit einem Masseanteil von 12% homogen gemischt und anschließend erfolgt durch Hinzugabe eines flüssigen Mediums, hier Wasser, (Gesamtfeuchte 19 %) die Granulierung der homogenisierten trockenen Rohstoffmischung im gleichen Mischer.
Die dabei entstehenden unbehandelten Kerne 1.1 (Grüngranulat) werden anschließend in den Drehrohrofen 3 eingebracht. Die maximale Materialtemperatur in der Sinterzone 5 beträgt dabei 950 °C ± 10 °C. Anschließend erfolgt die Abkühlung der thermisch behandelten Kerne 1.2 im Trommelkühler 7 auf < 100 °C.
Die abgesiebte Fraktion 2mm bis 4 mm der thermisch behandelten und abgekühlten Kerne 1.3 weist folgende Produktspezifikation auf: Tabelle 2: Produktspezifikation Kern

Schüttdichte DIN 4226, Teil 3 [kg/m³] 200

Rohdichte DIN 4226, Teil 3 [g/cm³] 0,39

Festigkeit DIN EN 13055-1:2002; Anhang A, Verfahren 1 [N/mm²] 1,12
Ausführungsbeispiel 2:
Die Rohstoffmischung entspricht der im Ausführungsbeispiel 1 beschriebenen. Der Rohton wird zunächst getrocknet (Restfeuchte 6 %) und anschließend aufgemahlen. Der Papierschlamm wird nicht getrocknet. Für die Rohstoffmischung werden Ton mit einem Masseanteil von 88 % und Papierschlamm mit einem Masseanteil von 12% homogen gemischt. Anschließend erfolgt durch Hinzugabe von Wasser (Gesamtfeuchte 19 %) die Granulierung der homogenisierten trockenen Rohstoffmischung im gleichen Mischer.
Die dabei entstehenden unbehandelten Kerne 1.1 (Grüngranulat) werden anschließend in den Drehrohrofen 3 eingebracht. Die maximale Materialtemperatur in der Sinterzone 5 beträgt dabei 910 °C ± 10 °C. Anschließend erfolgt die Abkühlung der thermisch behandelten Kerne 1.2 im Trommelkühler 7 auf < 100 °C.
Die abgesiebte Fraktion 2mm bis 4 mm der thermisch behandelten und abgekühlten Kerne 1.3 weist folgende Produktspezifikation auf: Tabelle 3: Produktspezifikation Kern

Schüttdichte DIN 4226, Teil 3 [kg/m³] 320

Rohdichte DIN 4226, Teil 3 [g/cm³] 0,57

Festigkeit DIN EN 13055-1:2002; Anhang A, Verfahren 1 [N/mm²] 2,21
Ausführungsbeispiel 3:
Die Rohstoffmischung entspricht der im Ausführungsbeispiel 1 beschriebenen. Der Rohton wird zunächst getrocknet (Restfeuchte 6 %) und anschließend aufgemahlen. Der Papierschlamm wird nicht getrocknet. Für die Rohstoffmischung werden Ton mit einem Masseanteil von 88 % und Papierschlamm mit einem Masseanteil von 12% homogen gemischt. Anschließend erfolgt durch Hinzugabe von Wasser (Gesamtfeuchte 14 %) die Granulierung der homogenisierten trockenen Rohstoffmischung im gleichen Mischer.
Die dabei entstehenden unbehandelten Kerne 1.1 (Grüngranulat) werden anschließend in den Drehrohrofen 3 eingebracht. Die maximale Materialtemperatur in der Sinterzone 5 beträgt dabei 880 °C ± 10 °C. Anschließend erfolgt die Abkühlung der thermisch behandelten Kerne 1.2 im Trommelkühler 7 auf < 100 °C.
Die abgesiebte Fraktion der abgekühlten Kerne 1.3 mit 40 bis 20 Mesh weist folgende Produktspezifikation auf: Tabelle 4: Produktspezifikation Kern

Schüttdichte DIN 4226, Teil 3 [kg/m³] 590

Rohdichte Nach API RP 58 [g/cm³] 1,14

Crash-Test Nach API RP 60 (bei 2.000 psi) [%] 20,5

Rundheit Nach API RP 58 [–] 0,8/0,8
API RP sind Spezifikationen des American Petroleum Institute, die Testbedingungen für Schüttgüter empfehlen. API RP 60 empfiehlt Testbedingungen für hochfeste Stützgranulate, die zur hydraulischen Rissbildung (hydraulic fracturing) benutzt werden.

Die gesiebten Kerne 1 (60 bis 30 Mesh) wurden anschließend mit einem Gemisch aus Harz und Feldspatmehl beschichtet. Die Schichtdicke betrug dabei ca. 22 μm. Anschließend erfolgte die thermische Aushärtung in einem Wirbelschichtreaktor. Die abgesiebte Fraktion (40 bis 20 Mesh) der entstandenen beschichteten Kerns 1 weist folgende Produkteigenschaften auf: Tabelle 5: Produktspezifikation beschichteter Kern

Schüttdichte	DIN 4226, Teil 3	[g/cm³]	0,72
Rohdichte	Nach API RP 58	[g/cm³]	1,40
Crash-Test	Nach API RP 60 (bei 2.000 psi)	[%]	1,85
Rundheit	Nach API RP 58	[–]	0,9/0,9
Säurelöslichkeit	Nach API RP 58	[%]	1,9
Trübheit	Nach API RP 56	[NTU]	158

Ausführungsbeispiel 4:
Die Rohstoffmischung entspricht der im Ausführungsbeispiel 1 beschriebenen. Der Rohton wird zunächst getrocknet (Restfeuchte 6 %) und anschließend aufgemahlen. Der Papierschlamm wird nicht getrocknet. Für die Rohstoffmischung werden Ton mit einem Masseanteil von 95 % und Papierschlamm mit einem Masseanteil von 5 % homogen gemischt.
Anschließend erfolgt durch Hinzugabe von Wasser (Gesamtfeuchte 14 %) die Granulierung der homogenisierten trockenen Rohstoffmischung im gleichen Mischer.
Die dabei entstehenden unbehandelten Kerne 1.1 (Grüngranulat) werden anschließend in den Drehrohrofen 3 eingebracht. Die maximale Materialtemperatur in der Sinterzone 5 beträgt dabei 900 °C ± 10 °C. Anschließend erfolgt die Abkühlung der thermisch behandelten Kerne 1.2 im Trommelkühler 7 auf < 100 °C.
Die abgesiebte Fraktion der abgekühlten Kerne 1.3 mit 40 bis 20 Mesh weist folgende Produktspezifikation auf: Tabelle 6: Produktspezifikation Kern

Schüttdichte DIN 4226, Teil 3 [kg/m³] 720

Rohdichte Nach API RP 58 [g/cm³] 1,44

Crash-Test Nach API RP 60 (bei 2.000 psi) [%] 14,5

Rundheit Nach API RP 58 [–] 0,8/0,8

Die abgesiebten Kerne 1 (60 bis 30 Mesh) wurden anschließend mit einem Gemisch aus Glasmehl und Phenolharz (62,8 % Kernmaterial/22,7 % Glasmehl/13,5 % Phenolharz) beschichtet. Die Aushärtung des Harzes erfolgte in einem direkt beheizten Drehrohrofen. Die abgesiebte Fraktion der beschichteten Kerne 1 mit 40 bis 20 Mesh zeigt folgende Produktspezifikation auf: Tabelle 7: Produktspezifikation beschichtete Kerne

Schüttdichte	DIN 4226, Teil 3	[g/cm³]	0,85
Rohdichte	Nach API RP 58	[g/cm³]	1,61
Crash-Test	Nach API RP 60 (bei 2.000 psi)	[%]	1,05
Rundheit	Nach API RP 58	[–]	0,9/0,9
Säurelöslichkeit	Nach API RP 58	[%]	2,2
Trübheit	Nach API RP 56	[NTU]	171

Ausführungsbeispiel 5:

Die abgesiebten Kerne 1 (60 bis 30 Mesh) aus Ausführungsbeispiel 4 werden mit einem Gemisch aus Pulverharz, Olivenmehl und Phenolharz (48 % Kernmaterial/10 % Pulverharz (Bakelite 223 SP)/19 % Olivenmehl, 23 % Phenolharz) beschichtet. Die Aushärtung des Harzes erfolgt in einem direkt beheizten Drehrohrofen. Die abgesiebte Fraktion der beschichteten Kerne 1 mit 40 bis 20 Mesh zeigt folgende Produktspezifikation auf: Tabelle 8: Produktspezifikation beschichtete Kerne

Schüttdichte		[g/cm³]	0,70
Rohdichte	Nach API RP 58	[g/cm³]	1,50
Crash-Test	Nach API RP 60 (bei 2.000 psi)	[%]	2,2
Rundheit	Nach API RP 58	[–]	08/08
Säurelöslichkeit	Nach API RP 58	[%]	2,85
Trübheit	Nach API RP 56	^[ ^NTU ^]	171

Ausführungsbeispiel 6:
Die Kornverteilung und damit die Ausbeute im gewünschten Kornbereich hängt neben den prozesstechnischen Parameter, wie Wirbelgeschwindigkeit, Mischzeit etc., maßgeblich von den wirkenden Bindekräften zwischen den einzelnen Partikeln ab. Durch Zugabe geeigneter Hilfsstoffe (Additive) kann auf die Bindekräfte zwischen den einzelnen Partikeln Einfluss genommen werden und damit das Kornspektrum aktiv verändert werden.
Bei der Granulation der Rohstoffmischung in einem Mischer (mit einer Drehzahl von 4000 U/min) mit Wasser als flüssigem Medium (15 % bezogen auf Trockenmischung) resultiert eine Ausbeute im gewünschten Kornbereich (0,3 mm bis 1 mm) von 32 %.
Gibt man zuvor NaOH zum Wasser, so dass sich eine zehnprozentige Natronlauge einstellt, erhöht sich bei gleichen Mischerparametern die Ausbeute in der Kornfraktion 0,3 mm bis 1 mm auf 51 %.

1: Kern
1.1: thermisch unbehandelter Kern (Grüngranulat)
1.2: thermisch behandelter Kern
1.3: abgekühlter Kern
2: Beschichtung
3: Drehrohrofen
4: Brenner
5: Sinterzone
6: Trennmittel
7: Trommelkühler
8: Suspension
9: Reaktionsraum
10: Abscheider
11: Heißgaserzeuger
12: Wirbelschichtanlage
13: Zweistoffdüse

Claims

Kern (1), der aus einer Rohstoffmischung, umfassend einen Papierschlamm und mindestens einen weiteren Stoff, gebildet ist, wobei mindestens einer der weiteren Stoffe Sauerstoffverbindungen enthält.
Kern (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als weiterer Stoff Ton vorgesehen ist.
Kern (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere Stoffe Aschen und/oder Stäube aus thermischen Prozessen vorgesehen sind.
Kern (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als weiterer Stoff ein Schmelzphasenbildner in flüssiger und/oder fester Form, der insbesondere Alkalicarbonate und/oder Alkalihydroxide und/oder Alkalilauge enthält, vorgesehen ist.
Kern (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohstoffmischung weniger als 35 % Al₂O₃ enthält.
Kern (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Rohdichte von weniger als 1,8 g/cm³ im thermisch behandelten Zustand.
Kern (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Korngröße von 0 bis 2 mm im thermisch behandelten Zustand.
Kern (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Korngröße von 2 mm bis 20 mm im thermisch behandelten Zustand.
Kern (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohstoffmischung organisches Material, insbesondere Holzstäube, Getreidemehl, Kunststoffstäube und/oder Kunststoffgranulate zugesetzt ist.
Kern (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohstoffmischung flüssige und/oder feste hochkalorische organische Stoffe, insbesondere Kohlenstäube und/oder Öle zugesetzt sind.
Kern (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Papierschlamms an der Rohstoffmischung kleiner als 50 % ist.
Kern (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohstoffmischung mindestens ein Hilfsstoff, insbesondere ein Verflüssiger, Entmischer, Deagglomerant, eine Säure, eine Base, ein Fließmittel oder ein Bindemittel zugesetzt ist.
Kern (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Beschichtung (2) des Kerns (1) im thermisch behandelten Zustand.
Kern (1) nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Beschichtung (2) aus anorganischem und/oder organischem Material.
Kern (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Imprägnierung des Kerns im thermisch behandelten Zustands.
Verwendung des Kerns (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Stützgranulat, insbesondere für die Erdöl- oder Erdgasförderung.
Verwendung des Kerns (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 zur Herstellung von Leichtbaukörpern oder als Schüttgut in der Bauindustrie oder im Garten- oder Landschaftsbau oder im Dekorationsbereich.
Verfahren zur Herstellung von Kernen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Papierschlamm umfassende Rohstoffkomponenten zumindest gemischt, zur Bildung von Kernen (1) granuliert oder extrudiert und diese anschließend einer thermischen Behandlung im Temperaturbereich von 600 °C bis 1300 °C unterzogen werden.
Verfahren zur Herstellung von Kernen nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Papierschlamm umfassende Rohstoffkomponenten zumindest gemischt und dabei zu einer Suspension konditioniert werden, welche in einen thermischen Reaktor, insbesondere einen Sprühtrockner oder einen Wirbelschichtreaktor, eingesprüht wird, wo die Bildung der Kerne (1) erfolgt und diese anschließend einer thermischen Behandlung im Temperaturbereich von 600 °C bis 1300 °C unterzogen werden.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass vor, während oder nach dem Mischen die Zugabe eines flüssigen Mediums erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass vor, während oder nach dem Mischen flüssige und/oder feste Hilfsstoffe zugegeben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass vor der thermischen Behandlung eine Behandlung in einem weiteren Aggregat, vorzugsweise einem Granulierteller, erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der Kerne Keimlinge zugegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass als Keimlinge Unterkorn abgesiebter Kerne verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Trennmittel eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne vor der thermischen Behandlung mit dem Trennmittel gepudert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmittel während der thermischen Behandlung in die Sinterzone (5), eingeblasen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung in einem Gegenstrom-Drehrohrofen stattfindet, der direkt oder indirekt beheizt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung in einer Wirbelschicht stattfindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne (1) zusätzlich beschichtet und/oder imprägniert werden.
Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne (1) mit einer zumindest ein aushärtbares Harz und/oder ein Pulverharz enthaltende Beschichtungsmischung beschichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschichtungsmischung Additive zugegeben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne (1) in einem Mischer, Granulierer oder Granulierteller beschichtet werden und/oder die Beschichtung auf die Kerne (1) aufgesprüht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass zur Imprägnierung mindestens ein Tensid verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass auf die thermische Behandlung ein Kühlungsprozess folgt.
Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung und/oder Imprägnierung nach dem Kühlungsprozess erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung und/oder Imprägnierung während des Kühlungsprozesses erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur bei der thermischen Behandlung so gesteuert oder geregelt wird und/oder dass die Mengenverhältnisse der Rohstoffkomponenten so gewählt werden und/oder dass die Bildung der Kerne so erfolgt, dass Kerne (1) in einem vorgegebenen Kornband gebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur bei der thermischen Behandlung so gesteuert oder geregelt wird und/oder dass die Mengenverhältnisse der Rohstoffkomponenten so gewählt werden, dass Kerne (1) mit einer vorgegebenen Schüttdichte und/oder Festigkeit und/oder Rauhigkeit gebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 38 oder 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur bei der thermischen Behandlung in einem Bereich von 800 °C bis 1000 °C gesteuert oder geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 38 oder 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur bei der thermischen Behandlung in einem Bereich von 1000 °C bis 1200 °C gesteuert oder geregelt wird.