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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aktivieren von Tonen mit hoher Restfeuchtigkeit, aufweisend die folgenden Schritte: Aufgeben von feuchtem Ton in eine Vorrichtung zum Trocknen, Zerkleinern des zuvor getrockneten Tons in einer Vorrichtung zum Zerkleinern, thermisches Aktivieren des zerkleinerten Tons in einem Flugstromreaktor oder in einem Wirbelbettreaktor, in welchem der zerkleinerte Ton in einem heißen Gas suspendiert ist, Abtrennen des Gases aus dem Flugstromreaktor oder dem Wirbelbettreaktor in einer Vorrichtung zum Abtrennen, und Kühlen des thermisch aktivierten Tons in einer Vorrichtung zum Kühlen mit einem Kühlgas und eine dazu korrespondierende Anlage.
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Als Ersatzstoff für Zementklinker als Baustoff ist es bekannt, auf thermisch aktivierten Ton zurückzugreifen. Zwar erreichen thermisch aktivierte Tone nicht die Festigkeit von Beton, der auf Zementklinker basiert, jedoch sind die Eigenschaften von aktivierten Tonen als Baumetrial ausreichend für eine Vielzahl von Bauprojekten, bei denen es nicht auf eine besondere Leistungsfähigkeit des Baustoffes ankommt, wie es beispielsweise bei Spannbetonbrücken der Fall ist oder wie es bei extrem hohen Hochhäusern weit jenseits der 100 m-Grenze der Fall ist.
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Bauten aus Tonen sind schon seit der Antike bekannt. Hauser aus gebrannten Tonen und Lehm zeigen die typische rötliche Färbung, die bis in den Farbton von Terracotta-Fliesen reichen kann.
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Tonminerale, welche zur Aufbereitung als Baustoff geeignet sind, und die durch thermische Behandlung, dem sogenannten thermischen Aktivieren, hydraulische Eigenschaften entwickeln, können in Ihren chemischen und mineralogischen Zusammensetzungen und auch in ihren physikalischen Eigenschaften stark variieren. Natürliche Vorkommen dieser Tonminerale enthalten zusätzlich zu den Tonmineralen in der Regel verschiedene Anteile in Bezug auf die hydraulischen Eigenschaften inerte Bestandteile wie zum Beispiel Quarz, Feldspat, Flint. Tonminerale rein natürlichen Ursprungs unterschiedlicher Provenienz unterscheiden sich in der Regel durch verschiedene Eigenschaften wie etwa Partikelgröße, Dichte und Feuchte. Neben diesen äußerlichen Eigenschaften unterscheiden sich Tonminerale verschiedener Provenienz durch enthaltene anorganische Verunreinigungen wie etwa Eisen, Titan und Mangan.
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Ton ist ein natürlich vorkommendes Material, das hauptsächlich aus Tonmineralteilchen besteht, bei ausreichenden Wassergehalten generell plastisch verformbar ist und spröde wird, wenn es getrocknet oder gebrannt wird. Obwohl Ton in der Regel Schichtsilikate enthält, kann dieser andere Materialien enthalten, die ihm Plastizität verleihen und aushärten, wenn sie getrocknet oder gebrannt werden. Als assoziierte Phasen kann Ton Materialien enthalten, die ihm keine Plastizität verleihen, z. B. Quarz, Calcit, Dolomit, Feldspat sowie organische Stoffe.
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Anders als frühere Definitionen legt eine Definition der AIPEA (Association Internationale Pour L'Etudes Des Argiles) und der CMS (Clay Minerals Society) keine exakte Korngröße der Tonbestandteile fest, da verschiedene Disziplinen hier eigene Festlegungen getroffen haben. Als Tonpartikel gelten in den Geowissenschaften, entsprechend der Norm EN ISO 14688, solche Partikel, die eine kleiner Korngröße als 2 µm (teilweise auch kleiner 4 µm) aufweisen und in der Kolloidchemie gelten solche Partikel als Tonpartikel, die eine Korngröße unter 1 µm aufweisen.
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Im Rahmen dieser Anmeldung wird unter Tonen das natürlich vorkommende Material verstanden, das entweder hauptsächlich aus Tonmineralteilchen besteht, damit also mehr als 50% Tonmineralteilchen aufweist, aber auch solche aus Tonlagerstätten abbaubare Materialien, die weniger als 50% Tonmineralteilchen bis hin zu nur 10 % bis 20% Tonmineralteilchen aufweisen. Die Korngröße der Tonpartikel soll dabei größtenteils weniger als 4 µm betragen. Der Rest besteht aus Sand, Schluff, Quarz, Calcit, Dolomit, Feldspat und gegebenenfalls auch Kies. Die großen Materialanteile, die nicht Tonmineralteilchen darstellen, sind chemisch nahezu inert, abrasiv und sind thermisch nicht aktivierbar. Die zuletzt genannten Tone ähneln damit Lehm.
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Tone kommen in ihren natürlichen Lagerstätten in der Regel mit einer hohen Feuchtigkeit vor. Die Feuchtigkeit verleiht den Tonen eine gewisse Plastizität. Manche Tone haben beim Abbau aus ihren Lagerstätten eine pastose Eigenschaft und auch eine gewisse Klebkraft. Im Rahmen dieser Anmeldung werden unter Tonen mit hoher Restfeuchtigkeit solche Tone verstanden, die beim Abbau plastische Eigenschaften aufweisen, eine breiige bis pastose Masse bilden und zur Verklumpung neigen. Diese Tone verlieren diese Eigenschaften beim Trocknen bis sie spröde werden und zu zum Verklumpen neigen. In diesem zu trockenen Klumpen getrockneten Zustand hat ein Ton aber noch keine oder nur gering ausgeprägte Eigenschaften eines hydraulischen Bindemittels. Erst durch eine thermische Aktivierung, beim dem auch Hydratwasser aus den Tonmineralen entweicht, bilden sich die hydraulischen Bindemitteleigenschaften aus.
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Aufgrund der zuvor beschriebenen Materialeigenschaften von Tonen mit hoher Restfeuchtigkeit ist eine direkte Weiterverarbeitung (Lagern, Zerkleinern, Transport, Dosierung) ohne vorheriges Trocknen nur mit hohem technischem Aufwand möglich bzw. ganz ausgeschlossen. Bei der Materialhandhabung ist eine Förderung des Materials mit üblichen Vorrichtungen für Schüttgut nahezu ausgeschlossen, da die Tone die Vorrichtungen zusetzen und verstopfen. Um die Transportwege für frisch abgebauten Ton kurz zu halten und Probleme beim Materialhandling zu vermeiden, befindet sich die Tontrocknung meist unmittelbar hinter der Tonanlieferung. Von dort ist es in der Regel ein längerer Weg bis zur Weiterverarbeitung. Die Nutzung von Prozesswärme aus einem nachfolgenden Prozessschritt wird dadurch erschwert, da einerseits die Prozesswärme über größere Strecken transportiert werden muss und andererseits, weil geeignete Wärmequellen, die zum Trocknen des Tons mit hoher Restfeuchtigkeit notwendig sind, häufig nicht verfügbar sind. Zum Trocknen von Tonen mit hoher Restfeuchtigkeit ist eine große Wärmemenge notwendig. Verfügbare Prozessabwärme wird in der Industrie in hochkalorische und niederkalorische Prozessabwärme unterteilt. Die hochkalorische Prozessabwärme weist eine hohe Temperatur, in der Regel über 800°C, auf. Niederkalorische Prozessabwärme weist in der Regel eine Temperatur unter 300°C auf. Die Begriffe ‚hochkalorisch‘ und ‚niederkalorisch‘ besagen jedoch weniger über die verfügbare Wärmemenge aus. Eine niederkalorische Prozessabwärme kann eine große Wärmemenge aufweisen und ein hochkalorische Prozessabwärme kann auch eine nur geringe Wärmemenge, wenngleich mit hoher Temperatur, aufweisen. Da der Weg des Trocknungsgases von einer verfügbaren Prozessabwärme bis zu einer Tonanlieferung häufig längere Strecken umfasst, greift man in der Regel auf separate Heißgaserzeuger zum Trocknen des angelieferten, breiigen bis pastosen Ton in einem Tontrockner zurück. Denn niederkalorische Prozessabwärme lässt sich nicht gut über längere Strecken transportieren, weil die Temperatur bis zum Anlieferungsort zu stark abfällt und damit ist die Prozessabwärme zu kalt zum effizienten Trocknen.
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In der Regel kann die hochkalorische Prozesswärme aus dem Kalzinationsprozess nicht direkt verwendet werden, da die Gastemperatur für z.B. eine Prallhammermühle zu hoch ist, denn der Maschinenschutz, die erforderlichen Festigkeiten, der Verschleiß und die Materialwahl lassen den Einsatz der hochkalorischen Prozessabwärme nicht zu. Die Temperatur der Abgase müsste deshalb zur weiteren Verwendung entweder unter erhöhtem Anlagenaufwand, in einem mehrstufigen Zyklonwärmetauscher und/oder durch Erhöhung des Gasvolumens (z.B. durch Frischluftzugabe) konditioniert werden, was aber einen negativen Einfluss auf die Maschinengröße und die Energieeffizienz z.B. elektrischer Energiebedarf für Ventilatoren hat. Da die pastosen Eigenschaften des Tons in der Regel und je nach Beschaffenheit und Zusammensetzung erst bei einer Restfeuchte von weniger als 10% zu Gunsten einer trockenen, schüttfähigen Eigenschaft zusammenbrechen, ist eine Trocknung bis unter 10% Restfeuchte notwendig. Die Energieeffizienz beim Herstellen eines alternativen Baustoffes mit einem eigenen Heißgaserzeuger zum Trocknen des Tons bei der Anlieferung sinkt dadurch erheblich.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Aktivieren von Tonen mit hoher Restfeuchtigkeit zur Verfügung zu stellen, in welchem die Handhabung erleichtert ist und in welchem eine zum Trocknen und Transportieren notwendige Prozessabwärme zur Verfügung steht.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen zu Anspruch 1 angegeben. Korrespondierend zu den Verfahrensansprüchen wird in den Ansprüchen 6 bis 9 eine Anlage zum Aktivieren von Tonen mit hoher Restfeuchtigkeit angegeben.
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Der Gedanke der Erfindung beinhaltet die Kombination zweier Verfahrensschaltungen. Zum einen ist vorgesehen, Abgas aus einer Tonkühlung nach der thermischen Aktivierung von Tonen als niederkalorische Prozessabwärme mit Abgasen der thermischen Aktivierung als hochkalorische Prozessabwärme zu vereinen und diese vereinte Prozessabwärme zum Trocknen des Tons bei der Tonanlieferung zu verwenden. Da beim Trocknen des Tons sehr viel Staub anfällt, denn der Ton weist ja bereits eine sehr kleine Korngröße auf, wird der beim Filtern des Trocknungsabgases ausgefilterte Ton mit dem getrockneten Ton vereint. Der getrocknete Ton weist eher eine Beschaffenheit eines gröberen Schüttguts auf, das sich gut mit Förderbändern und Becherwerken transportieren lässt. Die beim Trocknen anfallende Feingutfraktion wird mit der Grobgutfraktion vereint und gemeinsam in eine Vorrichtung zum Zerkleinern gegeben, bevor die gemeinsam zerkleinerten Fraktionen zur thermischen Aktivierung gegeben werden. Die Feingutfraktion weist einen hohen Anteil an thermisch aktivierbaren Schichtsilikaten auf, hingegen weist die Grobgutfraktion die eingangs erwähnten Beimengungen auf, wie Sand, Schluff, Quarz, Calcit, Dolomit, Feldspat und gegebenenfalls auch Kies. Die beim Trocknen eigentlich nicht erwünschte Stofftrennung wird durch das Vereinen vor der Zerkleinerung rückgängig gemacht. Beim gemeinsamen Zerkleinern werden die Fraktionen gleichzeitig wieder gut durchmischt.
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Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
- 1 ein Flussdiagramm einer Anlage zur Durchführung des Verfahrens zum Aktivieren von Tonen mit hoher Restfeuchtigkeit in einer ersten Ausgestaltung,
- 2 ein vereinfachtes Flussdiagramm zur Darstellung des Verfahrens, das in der Anlage nach 1 durchgeführt wird.
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In 1 ist ein Flussdiagramm einer Anlage A zur Durchführung des Verfahrens zum Aktivieren von Tonen mit hoher Restfeuchtigkeit in einer ersten Ausgestaltung gezeigt. In dieser Darstellung zeigt ein Strichpfeil den Weg von Feststoffen, ein umrandeter Pfeil hingegen zeigt den Weg von Gasen, wie es in der eingezeichneten Legende gezeigt ist. Rohmaterial in Form eines pastosen, plastisch verformbaren bis klebrigen Tons wird von einem Aufgabebunker 10 gegebenenfalls mit Hilfe von hier nicht gezeigten Förderschnecken auf eine Förderband 20 gegeben. Das Rohmaterial fällt auf ein zweites Förderband 30, das durch eine Bandwaage 40 gesteuert ist. Der hochfeuchte Ton durchläuft zunächst einen Magnetabscheider 50 zum Entfernen von ungewollt in den Ton gelangten Metallteilen, in der Regel Maschinenteile, verlorene Hammerköpfe, abgebrochene Baggerzähne und Schrott, die beim Abbau ungewollt in den Ton gelangen können. In einem weiteren Schritt durchläuft der frisch angelieferte Ton einen Grobgutabscheider 60, in dem grobe Steine, kleine Findlinge und andere nichtmetallische Teile, auch Holz und Pflanzenbestandteile aussortiert werden. Nach dieser ersten Grobaufreinigung fällt der frisch angelieferte und vorgereinigte Ton in einen Tontrockner 70. Dieser wird von einem Heißgas durchströmt, das weiter unten näher beschrieben wird. Beim Trocknen des Tons fällt eine größere Menge Staub an, der mit der Trocknungsluft aus dem Tontrockner 70 über eine Abluftleitung 190 ausgetragen wird.
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Der getrocknete Ton wird durch eine Zellradschleuse 71 auf ein Förderband 90 abgeworfen und mit einem Becherwerk 100 gehoben. Nach dem Becherwerk 100 folgt ein weiteres Förderband 110 bis zu einer Zellradschleuse 120 zu einer Prallhammermühle 130. Die hier erwähnte Förderung findet statt von der Anlieferung des frischen Tons bis zur thermischen Linie der Anlage. Die dabei zurückgelegten Wege können einige hundert Meter betragen. Durch die Zellradschleuse 120 gelangt, fällt der getrocknete Ton in die Prallhammermühle 130, die mit der eingezeichneten Rotationsrichtung rotiert. Dabei schleudern die Hammer der Prallhammermühle 130 den zerkleinerten Ton in den aufsteigenden Ast 140 eines Flugstromreaktors 160, in dem der Ton thermisch aktiviert wird. Dazu wird der in der aufsteigenden Luft des Flugstromreaktors 160 suspendierte Ton durch einen Brenner erhitzt, der mit der Brennstoffzufuhr 150 gespeist wird. Der in der Luft des aufsteigenden Astes 140 aufsteigende Ton wird in einer Wirbelkammer 162 in dem heißen Gas verwirbelt und dabei findet die restliche Aktivierung des Tones statt. Nach der Wirbelkammer 162 folgt der absteigende Ast 163 des Flugstromreaktors 160, wo die Ton/Gassuspension auf einen Zyklonsichter 170 trifft. Im Zyklonsichter 170 wird der thermisch aktivierte Ton vom Abgas des Flugstromreaktors 160 getrennt. Der Feststoff, der thermisch aktivierte Ton, fällt durch eine Feststoffleitung 250 in einen Tonkühler 175, bestehend aus einem Staubabscheider 260 und einem Zyklonabscheider 280. Der Weg des in Zyklonsichter 170 abgetrennten Abgases des Flugstromreaktors 160 folgt der Heißgasleitung 171, welche zu einer Kopplungsstelle 180 führt, wo das abgetrennte Abgas aus dem Flugstromreaktor 160 mit dem Abgas aus dem zuvor erwähnten Tonkühler 175 vereint wird. Die vereinten Abgase strömen in den eingangs erwähnten Tontrockner 70 zum Trocknen des frischen Tons mit hoher Restfeuchtigkeit. Dabei nehmen die zum Trocknen eingesetzten Abgase viel Staub auf. Die staubbeladene Trocknungsluft wird über eine Abluftleitung 190 in einen Staubfilter 200 geleitet, wo der feine, getrocknete Ton abgeschieden wird. Der feine, abgeschiedene Ton wird über Zellradschleusen 210 auf ein Förderband 220 geleitet, welcher den feinen, trockenen Ton zum Förderband 90 leitet. Dort wird der feine getrocknete Ton dem groben, getrockneten Ton aus dem Tontrockner 70 vereint. Die Abluft aus dem Staubfilter 200 wird sodann mit Hilfe eines Verdichters 240 als Abluft mit einer Temperatur von ca. 150°C bis 200°C verworfen.
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Der in Zyklonsichter 170 abgetrennte, thermisch aktivierte Ton fällt über eine Feststoffleitung 250 in den Tonkühler 175, bestehend aus einem Staubabscheider 260 und einem Zyklonabscheider 280. Der Tonkühler 175 wird mit atmosphärischer Luft beschickt, die sich beim Kühlen des thermisch aktivierten Tons erwärmt und als Träger niederkalorischer Wärme zum Einen über einen Verdichter 300, eine Gasleitung 310 und eine Gasleitung 311 in die Prallhammermühle 130 strömt und dort als vorgewärmte Trägerluft für den Flugstromreaktor 160 zur Verfügung steht. Zum anderen strömt ein weiterer Teil der Abluft aus dem Tonkühler 175 zur Kopplungsstelle 180, wo sich diese Abluft als Träger niederkalorischer Wärme mit der Abluft aus Gasleitung 171, welche das abgetrennte Abgas aus dem Flugstromreaktor 160 führt, vereint. Die Vereinigung der Abluft aus dem Tonkühler 175 mit der hochkalorischen Abwärme im abgetrennten Abgas des Flugstromreaktors führt zu einer erheblichen Abkühlung der abgetrennten Abgase des Flugstromreaktors auf eine Temperatur zwischen 600°C und 900°C. Die vereinten Abgase tragen jedoch genug Wärme bei einer ausreichenden und nicht zu heißen Temperatur. Der aus dem Tonkühler 175 ausgesichtete, thermisch aktivierte Ton verlässt den Tonkühler über die Zellradschleuse 290. Der Vorteil des hier vorgeschlagenen Verfahrens besteht darin, dass durch die Aufteilung in Trocknung und Zerkleinerung die Notwendigkeit einer Temperaturabsenkung / Konditionierung nicht mehr besteht. Abgasseitig sind Gaseintrittstemperaturen am Trockner von bis zu 900°C realistisch und technisch machbar. Daraus resultieren ein geringerer technischer Aufwand, geringere Baugrößen und eine höhere Energieeffizienz.
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In 2 ist ein vereinfachtes Flussdiagramm zur Darstellung des Verfahrens, das in der Anlage nach 1 durchgeführt wird, skizziert. Die Aufgabe des Rohmaterials beginnt in dem Flussdiagramm ganz oben. Dort folgt ein Trocknungsschritt. Dem Weg des Feststoffes (Linienpfeile) folgend folgt ein Zerkleinerungsschritt. Dem Zerkleinerungsschritt folgt dem Weg des Feststoffes weiter folgend ein thermisches Aktivieren. Dem thermischen Aktivieren folgt dem Weg des Feststoffes weiter folgend ein Abtrennen des Abgases aus dem Schritt des thermischen Aktivierens. Der Feststoff durchläuft sodann einen Kühlschritt und wird aus dem Verfahren in einem Abtrennungsschritt als fertiger, thermisch aktivierter Ton ausgekoppelt. Nach dem Gedanken der Erfindung ist vorgesehen, dass die Luft, die im Kühlschritt in das Verfahren eingeht, nach dem Kühlen des thermisch aktivierten Tons abgetrennt wird. Ein Teil der abgetrennten Luft wird zurück zum thermischen Aktivieren geleitet. Ein anderer Teil wird mit den abgetrennten Abgasen, die aus dem thermischen Aktivieren stammen, vereint und zurück zum Trocknen geführt. Der beim Trocknen anfallende Staub wird ausgefiltert und mit dem frisch getrockneten Ton vereint.
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Bezugszeichenliste
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- A
- Anlage
- 10
- Aufgabebunker
- 20
- Förderband
- 30
- Förderband
- 40
- Bandwaage
- 50
- Magnetabscheider
- 60
- Grobgutabscheider
- 70
- Tontrockner
- 71
- Zellradschleuse
- 90
- Förderband
- 100
- Becherwerk
- 110
- Förderband
- 120
- Zellradschleuse
- 130
- Prallhammermühle
- 140
- Flugstromreaktor
- 150
- Brennstoffzufuhr
- 160
- Flugstromreaktor
- 161
- aufsteigender Ast
- 162
- Wirbelkammer
- 163
- absteigender Ast
- 170
- Zyklonsichter
- 171
- Heißgasleitung
- 175
- Tonkühler
- 180
- Kopplungsstelle
- 182
- Leitung
- 190
- Abluftleitung
- 191
- Stellklappe
- 200
- Staubfilter
- 210
- Zellradschleuse
- 220
- Förderband
- 230
- Abluftleitung
- 231
- Steuerklappe
- 240
- Verdichter
- 250
- Feststoffleitung
- 260
- Staubscheider
- 270
- Feststoffleitung
- 280
- Zyklonabscheider
- 290
- Zellradschleuse
- 300
- Verdichter
- 310
- Kühlerabluftleitung
- 311
- Gasleitung
- 312
- Stellklappe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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