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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Granulats aus einer mineralischen Schmelze nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Granulats aus einer mineralischen Schmelze nach dem Patentanspruch 9.
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Zur Herstellung des so genannten Hüttensandes wird die Schlacke, die bei Hochofenprozessen beispielsweise beim Aufschmelzen von Eisen bei etwa 1500°C bis 1600°C flüssig anfällt, durch verschiedene Verfahren granuliert. Hierzu gehört einerseits das Abschrecken der Hochofenschlacke, was jedoch zu einem sehr hohen Wassergehalt des Granulats und insgesamt zu einem hohen Energiebedarf führt.
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Ein weiteres verbreitetes Verfahren zur Granulierung der Hochofenschlacke ist das so genannte Rotating Cup-Verfahren. Hierbei wird die flüssige Schlacke auf einen Teller oder scheibenförmigen Rotationskörper gegossen, durch die Zentrifugalkraft wird die flüssige Schlacke in kleinen Tröpfchen nach außen geschleudert und so zerstäubt. Die abgekühlten Tröpfchen ergeben den gewünschten Hüttensand. Dieser Hüttensand kann beispielsweise in der Zementindustrie als Zusatzstoff verwendet werden.
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Ein derartiges Verfahren wird beispielsweise in der
EP 804 620 B1 beschrieben. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht jedoch darin, dass die teilweise noch flüssigen Tröpfchen, die beim Zerstäuben von Rotationskörper weggeschleudert werden, bis zur vollständigen Erstarrung einen verhältnismäßig weiten Weg in radialer Richtung zurücklegen müssen. Auf diesem Weg können die Mikropartikel abkühlen und dabei weitgehend erstarren, um eine vollständige Erstarrung während des Fluges zu erzielen, muss jedoch die radiale Flugbahn der Mikropartikel etwa 10 bis 20 m betragen. Bei den engen räumlichen Verhältnissen, die in der Umgebung eines Hochofens, also in der Nähe der zu granulierenden Schlacke vorherrschen, ist es jedoch unzweckmäßig, eine derart ausladende Anlage zu installieren, wie sie im Stand der Technik beschrieben ist.
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Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung eines Granulats aus einer mineralischen Schmelze bereitzustellen, die auf dem oben beschriebenen Verfahren basiert, jedoch eine deutlich geringere Grundfläche benötigt.
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Die Lösung der Aufgabe besteht in einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Granulats aus einer mineralischen Schmelze mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie in einem Verfahren zur Erzeugung eines Granulats aus einer mineralischen Schmelze mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9. Die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Anspruch 1 dient zur Erzeugung eines Granulats aus einer mineralischen Schmelze. Hierbei kann es sich einerseits wie einleitend erwähnt, um die Schlacke eines Hochofenprozesses handeln, die bei der Eisenverhüttung anfällt, es kann sich jedoch auch um eine anderweitig erzeugte mineralische Schmelze handeln, die rasch abgekühlt und granuliert werden soll. Im Weiteren wird auch für die geschmolzene Schlacke der Begriff „Schmelze” verwendet.
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Die Vorrichtung weist eine Schmelzenzuführvorrichtung auf sowie eine Einhausung, die einen Windkanal bildet. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Drehzerstäubungsvorrichtung, die von der Einhausung umgeben wird. Die Drehzerstäubungsvorrichtung umfasst einen drehbar angeordneten Rotationskörper, an dessen Oberfläche ein Zerstäuben der Schmelze in Mikropartikel erfolgt. Die so entstandenen Mikropartikel nehmen eine vom Rotationskörper wegführende Flugbahn ein. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Austritt an Mikropartikeln aus der Einhausung oberhalb des Rotationskörpers erfolgt. Die Einhausung endet dabei dort
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Der Vorteil dieser Erfindung besteht darin, dass die Mikropartikel keine im Wesentlichen radiale Flugbahn bezüglich des Rotationskörpers einnehmen, die die Mikropartikel weiter radial entfernt von dem Rotationskörper fliegen lässt, was zu einem hohen Platzbedarf der Vorrichtung führt, sondern dass die Mikropartikel nach oben entgegen der Schwerkraft aus der Vorrichtung hinausgeleitet werden. Der Bauraum in senkrechter Richtung, also nach oben, ist in der Umgebung eines Hochofens stets verfügbar. In einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung werden die Mikropartikel durch einen mitreißenden Gasstrom entlang des Windkanals nach oben aus der Einhausung ausgeleitet. Unter Einhausung wird hierbei die direkte, in der Regel zylinderförmige oder konische Wand um die Drehzerstäubungsvorrichtung verstanden. Diese bildet zumindest teilweise den Windkanal. Die Einhausung endet an der Umlenkvorrichtung.
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Unter Mikropartikel werden hierbei die aus der zerstäubten und teilweise erstarrten Schmelze entstandenen Tröpfchen verstanden, die üblicherweise einen Durchmesser zwischen 500 μm und 5 mm aufweisen. Die Anhäufung der Mikropartikel, wenn sie weitgehend erstarrt in einem Fließbett liegen, wird als Granulat bezeichnet. Die gesamte Menge an Granulat wiederum ergibt den so genannten Hüttensand.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung ist die Einhausung der Vorrichtung, die den Windkanal bildet, so ausgestaltet, dass an einem oberen Ende oberhalb des Rotationskörpers eine Umlenkvorrichtung vorgesehen ist, die zum Auslenken der Mikropartikel aus der Einhausung dient. Diese Umlenkvorrichtung ist bevorzugt so ausgestaltet, dass sie die Mikropartikel auf ein so genanntes Fließbett lenkt.
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Grundsätzlich ist es besonders zweckmäßig, die Mikropartikel entlang des Windkanals mit einem Gasstrom zu befördern. Hierbei kann einerseits Gas von unten in die Anlage eingepresst werden, um den Gasstrom zu erzeugen, andererseits kann im oberen Bereich ein Sauggebläse angeordnet sein, das diesen Gasstrom erzeugt.
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Trotz des die Mikropartikel mitreißenden Gasstromes kann es vorkommen, dass Mikropartikel, die vom Rotationskörper eine radiale Bewegungskomponente erhalten, auf der Einhausung aufprallen, bevor sie in senkrechter Richtung vom Gasstrom mitgerissen werden. Bei einer relativ engen Auslegung der Einhausung des Windkanales wird der an der Einhausungswand abprallende Mikropartikel noch nicht in der Form abgekühlt sein, dass es an der Wand zu einem elastischen Stoß kommt. Aus diesem Grund ist es zweckmäßig, die Einhausung im Bereich des Rotationskörpers mit einer weiteren Kühlung zu versehen, so dass die Mikropartikel, falls sie auf eine gekühlte Wand stoßen, dabei Energie abgeben können. Ein Anhaften der Mikropartikel an der Wand wird somit unterbunden oder zumindest die Anhaftwahrscheinlichkeit verringert.
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Um eine besonders gute Abkühlung der Mikropartikel während ihrer Flugbahn zu erzielen, ist es zweckmäßig, wenn der Windkanal mehr als 4 m lang ist, besonders zweckmäßig ist es, wenn der Windkanal eine Länge von mehr als 10 m bzw. mehr als 15 m aufweist.
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Um diese Länge des Windkanals zu erzielen, ist es wiederum zweckmäßig, dass die Schmelzenzuführungsvorrichtung in der Art angeordnet ist, dass sie zumindest teilweise im Windkanal verläuft, diesen also zumindest teilweise durchläuft.
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Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung eines Granulates aus einer mineralischen Schmelze nach Patentanspruch 9, dieses Verfahren umfasst folgende Schritte:
Zunächst erfolgt ein Aufgießen der mineralischen Schmelze auf einen Rotationskörper, der von einer Einhausung umgeben ist. Diese Einhausung bildet einen Windkanal. Die Schmelze, die auf den Rotationskörper trifft, wird mit einer radialen Wegkomponente nach außen geschleudert. Auf diese Art und Weise werden Mikropartikel zerstäubt, die wiederum durch einen Gasstrom entlang des Windkanals entgegen der Schwerkraft nach oben geblasen werden. Die Mikropartikel treten oberhalb des Rotationskörpers aus der Einhausung aus, indem sie derart ausgeblasen bzw. ausgesaugt werden.
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Weitere Bestandteile der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnungen näher erläutert: Dabei zeigen
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1 eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Granulates an einer mineralischen Schmelze mit einer mehrseitigen Ausleitung der Mikropartikel,
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2 eine Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einer einseitigen Ausleitung der Mikropartikel.
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3 einen Querschnitt durch eine Schmelzzuführung und
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4 einen Querschnitt durch einen Rotationskörper.
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In 1 ist eine Vorrichtung 2 dargestellt, die zur Granulierung einer mineralischen Schmelze, beispielsweise einer geschmolzenen Schlacke, wie sie beim Hochofenprozess anfällt, dient. Die Vorrichtung umfasst zunächst eine Schmelzenzuführungsvorrichtung 8, die wiederum ein Schmelzenreservoir 26 umfasst, in der die mineralische Schmelze 6 gelagert ist und über eine Zuführung auf eine Drehzerstäubungsvorrichtung 14 gelangt. Die Drehzerstäubungsvorrichtung 14 umfasst einen Rotationskörper 16, auf den die Schmelze 6 über Schmelzenzuführvorrichtung 8 aufgegossen wird. Der Rotationskörper 16 rotiert mit einer einstellbaren Geschwindigkeit, so dass die flüssige Schmelze 6 unter anderem durch Wirkung der Zentrifugalkraft nach außen geschleudert wird. An einem Rand des Rotationskörpers 16 verlässt die Schmelze die Oberfläche des Rotationskörpers und wird dabei in kleine, in der Regel tröpfchenförmige Mikropartikel zerstäubt. Die Mikropartikel, die an sich zu klein sind, um in dieser Darstellung Berücksichtigung zu finden, werden in den Figuren in Form ihrer Flugbahn 18 dargestellt.
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Die Drehzerstäubungsvorrichtung 14 ist von einer Einhausung 12 umgeben, die einen Windkanal 10 bildet. In diesem Windkanal 10 herrscht ein starker Gasstrom, in der Regel ein Luftstrom 20, vor, der im Wesentlichen entgegen der Schwerkraft von unten nach oben erfolgt. Die von dem Rotationskörper 16 weggeschleuderten Mikropartikel würden ohne diesen Luftstrom bzw. Gasstrom 20 eine im Wesentlichen radiale Flugbahn einnehmen, die an der Einhausung 12 enden würde. Dort würden sie anhaften und Klumpen bilden. Der Gasstrom 20 jedoch reißt die Mikropartikel mit, so dass sich die Flugbahn 18, wie in 1 dargestellt, ergibt. Die Mikropartikel werden somit entgegen der Schwerkraft im Windkanal 10 nach oben abgelenkt und treffen nach einem Flugweg von etwa 10 bis 20 m auf eine Umlenkeinrichtung 22. Die Umlenkeinrichtung 22 ist in 1 derart ausgestaltet, dass sie in Form eines Stollengewölbes oberhalb des Windkanals der Einhausung 12 angeordnet ist, die bereits abgekühlten Mikropartikel prallen an der Umlenkeinrichtung 22 ab und fallen auf ein Fließbett 24. Die Umlenkeinrichtung kann ebenfalls wieder in Form eines lang gezogen Kanals, beispielsweise als Verlängerung des Windkanals 10 ausgestaltet sei, so dass die Mikropartikel aus Vorrichtung 2 an sich unterhalb der des Rotationskörpers 6 austreten. die Einhausung 10 verlassen sie allerdings oberhalb der des Rotationskörpers 6
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Von dem Fließbett 24, werden die zu einem Granulat 4 zusammen gesammelten Mikropartikel weitergeleitet und in ein Granulatreservoir 28 befördert. Das Fließbett 24 ist außerhalb der Einhausung angeordnet.
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Um einen möglichst langen Weg entlang des Windkanals zu erzielen, der zu einer nachhaltigen Abkühlung der Mikropartikel unter eine kritische Erstarrungstemperatur führt, kann es zweckmäßig sein, die Schmelzenzuführvorrichtung 8 derart anzuordnen, dass sie zumindest teilweise durch den Windkanal 10 führt. Dabei müssen die Mikropartikel auf ihrer Flugbahn 18 an der Schmelzenzuführvorrichtung 8, die auch gelegentlich als so genannter Slag Runner bezeichnet wird, vorbeigelenkt werden. Hierbei kann es zweckmäßig sein, dass an der Schmelzenzuführvorrichtung 8 an deren Unterseite ebenfalls ein Gasstrom 32 austritt, der den Gasstrom 20 im Windkanal 10 entgegenwirkt. Dieser Gasstrom 32 verhindert ein Anhaften oder ein Aufprallen der Mikropartikel auf die Schmelzenzuführung respektive dem so genannten Slag Runner (vgl. 3).
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Die Mikropartikel, die trotz des Gasstromes 20 in dem recht beengten Windkanal 10, der bevorzugt etwa einen Durchmesser von 2 bis 4 m aufweist, nach dem Verlassen des Rotationskörpers 16 dennoch die Wand der Einhausung 12 erreichen, sollen möglichst an der Einhausung 12 abprallen und nicht anhaften. Da die Mikropartikel nach einer derart kurzen Flugbahn in ihrem Zentrum noch flüssig sind und lediglich an der Oberfläche einer erstarrten Schicht aufweisen, kann es passieren, dass sie beim Aufprall auf der Einhausung 12 zerplatzen und der noch flüssige Kern an der Oberfläche der Einhausung 12 anhaftet. Dies führt zu einer Verkrustung und auch zu einer Beschädigung der Wand der Einhausung 12. Um dies zu verhindern, kann an der Einhausung 12 eine Kühlung 30 vorgesehen sein, die den Mikropartikeln beim Aufprall weitere Energie entzieht und ein Abkühlen fördert. Das Risiko des Zerplatzens und des Anhaftens des Mikropartikels wird durch die Kühlung stark reduziert, was die Oberfläche der Einhausungswand 12 schont. Die Kühlung schützt die Einhausung auch vor der Strahlungswärme, die von den Mikropartikeln emittiert wird.
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Fakultativ kann gemäß 4 ringförmig um den Rotationskörper 16 ein starker Ringgasstrom anliegen, der zusätzlich zu dem Gasstrom 20 anliegt. Dieser Ringgasstrom kann dazu dienen, eine Tröpfchenbildung in der Nähe des Rotationskörpers zu forcieren und die Tröpfchengeometrie zu beeinflussen.
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Der Gasstrom 20, der durch den Pfeil 20 dargestellt ist, kann verschiedenartig erzeugt werden. Zum einen können unterhalb des Rotationskörpers Düsen 34 vorgesehen sein oder er erfolgt aus einem hier nicht dargestellten zentralen Gebläse. Ferner kann es möglich sein, ein ebenfalls hier nicht dargestelltes Sauggebläse in einem weiter hinten gelegenen Bereich des Windkanals oder außerhalb des Windkanals anzuordnen, das eine Saugwirkung auf die Mikropartikel vergleichbar mit einem Staubsauger ausübt. Auch alle drei beschriebenen Gasstromerzeugungsarten zusammen können in kombinierter Form zweckmäßig sein.
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Ferner kann es zweckmäßig sein den Querschnitt des Windkanals im Bereich des Rotationskörpers 16 zu verengen, wodurch der Gasstrom in diesem Bereich verstärkt wird. Zudem sei bemerkt, dass das nicht dargestellte Gebläse dezentral angeordnet sein kann, was bevorzugt mit großen Düsenöffnungen einhergeht. Andererseits können zentral unterhalb des Rotationskörpers angeordnet sein. Hierbei kann auch ein Kompressor vorgesehen sein, die die Düsen mit Pressluft speist.
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Die 2 unterscheidet sich von der 1 im Wesentlichen darin, dass das Umlenkelement 22 so ausgestaltet ist, dass es eine Verlängerung des Windkanals 10 darstellt. Der Windkanal macht somit eine Krümmung und die Mikropartikel werden entlang ihrer Flugbahn 18 dieser Krümmung folgend ebenfalls auf das Fließbett 24 gelenkt. Ansonsten trifft das bereits zu 1 beschriebene Grundprinzip mit vergleichbaren Merkmalen und identischen Bezugszeichen bei gleich benannten Merkmalen auch auf die 2 zu.
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Der Gasstrom 20 entzieht den Mikropartikeln während ihrer Flugbahn 18 durch den Windkanal 10 die thermische Energie und kühlt diese ab. Gleichzeitig heizt sich der Gasstrom 20 auf und tritt als heißer Gasstrom (Luftstrom) am oberen Ende des Windkanals wieder aus. Die Temperaturdifferenz des Luftstroms zwischen Eintritt und Austritt kann als gespeicherte Energiemenge für weitere Prozesse als sogenannte Abwärme energiesparend genutzt werden, was den Grundprozess an sich energetisch und wirtschaftlich zusätzlich vergünstigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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