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Verfahren zur Einsparung von bituminösen Bindemitteln bei der Brikettierung
von Steinkohle Bei der Brikettierung von Steinkohle wurde bisher meist so vorgegangen,
daß das Bindemittel (Hartpech), zu feinem Pulver zermahlen, dem zu verarbeitenden
erhitzten Kohlengrus zugegeben wird, worauf das Gut im Knetwerk unter Wärmezufuhr
durch Einleiten von überhitztem Dampf in formbaren Zustand versetzt wird. Der Bedarf
an Steinkohlenteerpech bei der Brikettherstellung beläuft sich auf etwa 6 bis 70/c,
des Gewichtes des Brikettiergutes und bildet einen wesentlichen Konstenanteil; man
ist deshalb schon seit langem bestrebt, den Pechverbrauch bei der Brikettierung
herabzusetzen. Man war jedoch bestrebt, zugleich mit der Verminderung des Pechzusatzes
nicht nur eine Kostenherabsetzung, sondern auch eine Erhöhung der Qualität des Endproduktes
zu erzielen. Das Minimum an Bindemittel, richtig verteilt, erhöht die Festigkeit
und den Brennwert des Endproduktes. Daher wurden von den Fachkreisen nach eingehendem
Studium des Problems folgende wesentliche Gesichtspunkte aufgestellt: (Zeitschrift
Glückauf 1951, S. 783) »Möglichst weitgehende Verteilung des Pechs im Brikettiergut;
möglichst weitgehende Umhüllung der zu verpressenden Kohle mit einem möglichst dünnen,
mehr oder weniger ununterbrochenen Film des Pechs«.
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Die bisher gebräuchlichen Methoden der Vermengung des als Bindemittel
verwendeten Pechs mit dem Kohlengrus können diese Forderungen nicht erfüllen. Sie
beruhen alle letzten Endes auf der Vermischung durch Knetdruck, wobei die weitestgehende
und damit gleichmäßige Verteilung des Bindemittels in der Kohle nicht erreicht werden
kann. Es bilden sich stets Stellen größerer Anhäufung freien Pechs und auch die
Umhüllung der Feinstanteile von Kohle mit dünnsten Filmstärken von Pech ist dabei
unmöglich. Bei der direkten Verknetung von flüssigem Pech mit Kohlengrus in den
gebräuchlichen Knetmischapparaten hat sich stets gezeigt, daß Knollenbildung auftritt
und daß auch bei Zusätzen von 10 % Pech das Mischgut nicht, wie beispielsweise bei
Gestein, homogenen Charakter erhält, sondern mehr oder weniger krümelig bleibt.
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Es wurde in der Literatur bereits darauf hingewiesen, daß zur Erzielung
einer besseren Umhüllung der einzelnen Kohlepartikeln mit einem dünnen Bindemittelfilm
eine Wasser-Pech-Emulsion als Bindemittel benützt werden könne. Wenn eine solche
Emulsion auf Siedetemperatur des Wassers erhitzt wird, verdampfen die Wassertröpfchen,
und es entstehen Dampfblasen, an deren Oberfläche sich eine dünne Haut des flüssig
gewordenen Pechs bildet. Durch diese dünnen Häutchen werden die Kohlepartikeln mit
einem dünnen, mehr oder weniger ununterbrochenen Pechfilm überzogen. Dabei wird
zusätzlich infolge des zur Herstellung der Emulsion benötigten Emulgators die Grenzflächenspannung,
nicht nur zwischen Pech und Wasser, sondern auch diejenige zwischen Kohle und Pech,
herabgesetzt, so daß die Benetzbarkeit der Kohle durch das Pech und dessen Ausbreitung
auf der Kohle gefördert wird.
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Bei Verwendung einer Wasser-Pech-Emulsion wurde festgestellt, daß
der Pechverbrauch verringert wird, was offenbar darauf zurückzuführen ist, daß bei
Erhitzung der Emulsion bis zum Siedepunkt des Wassers eine Schaumbildung eintritt,
wobei die Blasen bei der Berührung mit den Kohlepartikeln platzen und diese Partikeln
mit dem so gebildeten dünnsten Pechfilm umhüllt werden.
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Die Verwendung der Wasser-Pech-Ernulslon als Bindemittel zur Brikettierung
hat sich trotz längerer Großversuche in der Industrie nicht in der Praxis einführen
lassen, da die für die industrielle Herstellung der Emulsion geeigneten Emulgatoren
sich als zu kostspielig erwiesen und ferner ihre Verwendung den Betrieb zu sehr
komplizierte, so daß die Ersparnis an Pech durch anderweitig entstandene Mehrkosten
aufgehoben wurde.
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Unter Anerkennung der obengenannten Grundsätze »möglichst weitgehende
Verteilung des Pechs im Brikettiergut und möglichst weitgehende Umhüllung der Kohleteilchen
mit einem dünnen, mehr oder weniger ununterbrochenen Pechfilm« ist es also erstrebenswert,
diesen Forderungen unmittelbar im direkten Mischprozeß ohne die Notwendigkeit komplizierender
Hilfsoperationen (Emulgierung) gerecht zu werden.
In neuester Zeit
ist ein Verfahren zur Erzeugung von Mischungen aus körnigen bis feinsten Feststoffen
und Bindemitteln bekanntgeworden, welches bisher zur Herstellung bituminöser Gemische
vornehmlich für Straßenbeläge Verwendung findet und welches auf einfachste Weise
die Bildung dünnster und individueller Bindemittelfilme auf den Gesteinsteilchen
gestattet. Nach diesem Verfahren werden die pulverförmigen bzw. körnigen Feststoffe
chargenweise in einen geschlossenen Behälter eingebracht und beispielsweise durch
im unteren Teil des Behälters vorgesehene, auf gegenläufig drehenden Teilen angeordnete
Wurfschaufeln ständig in den oberen Teil des Behälters emporgeschleudert, wo sie
vorübergehend im Schwebezustand gehalten werden, in welchem sie durch oberhalb der
Schwebezone vorgesehene Zerstäuberdüsen mit flüssigem Bindemittel besprüht werden.
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Es hat sich erwiesen, daß sich mit diesem Zerstäubungsmischverfahren
mineralische Feststoffe von feinster staubförmiger bis körniger Beschaffenheit mit
dünnsten, ununterbrochenen Bindemittelfilmen umhüllen lassen, und zwar in einer
Sprühzeit von etwa einer halben Minute oder weniger pro Behältercharge. Da sich
die Feststoffe während der Besprühung in stark aufgelockertem Schwebezustand befinden,
in welchem die Staubteilchen räumlich voneinander getrennt sind, wird jedes einzelne
der Feststoffteilchen individuell mit einem dünnsten Bindemittelfilm überzogen.
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Für die Herstellung von bituminösen Gesteinsmischungen für Straßenbeläge
usw. ist das Zerstäubungsmischverfahren bereits allgemein in der Praxis eingeführt.
Die Vermischung von Steinkohle mit dem gleichfalls aus der Kohle stammenden Brikettierpech
stellt wesentliche neue Probleme, welche die Ausarbeitung eines eigenen und neuen
Verfahrens erforderten. Gestein hat ein spezifisches Gewicht von durchschnittlich
2,5, während dasjenige von Kohle etwa 1,3 beträgt. Das spezifische Gewicht des Brikettierpechs
ist etwa 1,1, kommt also demjenigen der Kohle nahe. Kohle und Pech haben also auch
annähernd gleiches spezifisches Volumen, so daß Gewichts- und Volumenteile zahlenmäßig
einander sehr nahe kommen. Wenn also Kohle und Pech nach Gewichtsprozenten vermischt
werden, so deckt sich der Gewichtsprozentgehalt etwa mit dem Volumenprozentgehalt.
Bei Gestein hingegen ist das spezifische Volumen (d. h. Volumen pro Gewichtseinheit)
mehr als das Doppelte, da ein Zusatz je Gewichtsprozent etwa 2,2 Volumenprozent
ausmacht. In Zahlen ausgedrückt, würde sich ein Pechzusatz von 6 Gewichtsprozent
bei Kohle volumenmäßig so auswirken wie ein solcher von 3% bei Gestein.
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Dieser Umstand wirkte sich zunächst bei der Aufwirbelung aus, welche
zur Herbeiführung des Schwebezustandes der festen Bestandteile vonnöten ist. Einerseits
mußten die die Impulse bewirkenden Schaufeln der Wirbelvorrichtung eine Geschwindigkeit
erhalten, welche dem Eigengewicht der Kohlenteilchen entspricht und dieselben in
eine Zone hineinwirft, worin sie ohne Widerstand mit dem versprühten Bindemittelteilchen
vermischt werden können. Es ist ersichtlich, daß hierbei andere Kräfte und Geschwindigkeiten
in Frage kommen als bei Gesteinsteilchen von mehr als dem doppelten spezifischen
Gewicht. Bei einer Steinkohle mit einem spezifischen Gewicht von etwa 1,3 hat sich
gezeigt, daß die Umdrehungsgeschwindigkeit der Mischarme von etwa 350 mm Länge 72
U/min betragen muß, gegenüber etwa 90 U/min bei Gestein. Diese Drehzahl entspricht
einer Umfangsgeschwindigkeit an den Schaufelenden von etwa 240 cm/s gegenüber etwa
300 cm/s bei Gestein. Da es sich bei der Aufwirbelung in die Schwebezone nur um
Umfangssgeschwindigkeiten handelt, ist die Ermittlung und Innehaltung dieser Zahl
außerordentlich wichtig. Optimale Verhältnisse werden von Fall zu Fall errechnet.
Ferner aber spielt eine wesentliche Rolle der Auflockerungsgrad der Festteilchen
innerhalb der Schwebezone. Aus diesem Grunde muß bei Kohle, mit ihrem größeren spezifischem
Volumen, die Dimension des Misch- oder Wirbelbehälters darauf abgestimmt sein. Ein
Mischbehälter für eine Charge von 250 kg hat etwa folgende Abmessungen: Breite 1300
mm, Länge 1500 mm, Höhe bis Unterkante Düsen 1000 mm; diese Abmessungen entsprechen
etwa einem Behälter für eine Charge von 500 kg Gestein.
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Ein wesentlicher Faktor für die Bindung von Kohle mit Pech ist aber
auch die gänzlich andere Struktur der Kohle gegenüber Gestein. Steinkohle ist im
allgemeinen laminar gestaltet, ihr Gefüge ist teilweise kapillar, und die Oberflächen,
insbesondere kleinerer Teilchen, sind porös. Die auf die frei schwebenden Kohleteilchen
auftreffenden Bindemitteltröpfchen breiten sich demgemäß auf den einzelnen Oberflächen
nicht im gleichen Maße aus, wie dies bei Gestein der Fall ist.
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Hinzu kommt hierbei, daß verschiedene Faktoren und Maßnahmen bei der
Kohlebrikettierung gewissen Einschränkungen unterliegen, welche bei der Bitumierung
von Gestein entweder gar nicht oder nur in weit geringerem Umfang in Betracht kommen.
Einmal ist man in der Wahl des Pechs, was seine Natur und insbesondere seine Konsistenz
betrifft, insofern beschränkt, als vorwiegend aus wirtschaftlichen Gründen die Kohlenindustrie
ihr eigenes Produkt als Bindemittel verwendet, nämlich Teerpech als Rückstand bei
der Teerverarbeitung. Diesem Pech werden bei seiner Erzeugung alle diejenigen Bestandteile
entzogen, welche wertvolleren Zwecken dienen können, d. h. vorwiegend alle flüchtigeren
Bestandteile, Öle usw., so daß als Endprodukt ein hartes mahlbares Pech verbleibt,
von einem Erweichungsprodukt von etwa 70 bis 75° C. Ein solches Bindemittel bedarf
zu seiner ausgiebigen Verflüssigung verhältnismäßig hoher Temperaturen.
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Dieser Umstand, zusammen mit der erwähnten Schwierigkeit, durch Kneten
flüssiges Pech mit festen Kohleteilchen homogen zu vermengen, hat dazu geführt,
daß die meisten Brikettierverfahren heute auf der Verwendung gemahlenen Hartpechs
und dessen trockener Vermischung mit der Kohle beruhen.
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Andererseits darf Kohle nicht über gewisse Temperaturen hinaus erhitzt
werden, da sonst ein Teil ihres Heizwertes verlorengeht. Bei der Verarbeitung von
Gestein mit Bitumen besteht einerseits eine große Spanne zwischen verfügbaren Bitumenkonsistenzen,
von Weichpech bis zu härtesten Sorten, während das Gestein ohne Schaden falls nötig
bis auf 250° C und höher erhitzt werden darf. Unter Berücksichtigung dieser Verhältnisse
ist es ersichtlich, daß eine optimale Verflüssigung des verfügbaren Hartpechs beim
Zerstäuben nicht möglich ist, wenn die Temperatur
des Sysiems auf
mäßiger Höhe gehalten werden soll, d. h. auf etwa 150 bis 160 J C.
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Bei solchen Arbeitstemperaturen würden sich die zerstäubten Tröpfchen
nicht in dem Maße auf den Kohleoberflächen ausbreiten können, daß sie dünnste zusammenhängende
Filme bilden, zumal im Hinblick auf die oben gesc!iilderte poröse Struktur der Kohle.
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Die Erreichung dünnster Pechfilme zur Umhüllung der Kohleteilchen
isi unter diesen Umständen schw=ieriger und kann dazu führen, daß der höchstiröglic'tie
Durchdringungs- und Umhüllungseffekt nicht erreicht wird.
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Bei der Brikettierung von Steinkohle wird nun beim Pechzusatz von
jeher Dampf zugegeben, und zwar auf empirischer Grundlage. Es hat sich dabei gezeigt,
daß der Dampfzusatz den Wirkungsgrad des Brikettierpechs erhöht. Bei der bisher
wohl verbreitetsten Methode, Hartpech in gemahlenem Zustand dem Kohlengrus mechanisch
beizumengen und damit zu verkneten, wurde allgemein überhitzter Dampi zugeführt.
Wissenschaftliche Untersuchungen der letzten Jahre haben ergeben, daß das kondensierte
Wasser die Grenzfächenspannung zwischen dem pechförmigen Bindemittel und den Kohleoberflächen
herabsetzt, wodurch eine weitere Ausbreitung des Pechs oder, wie der Praktiker sagt,
seine :>Streckung<; ermöglicht wird.
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Obwohl nun durch das bekannte Mischverfahren und die U:mhülluna im
Schwebezustand bereits eine erhebliche Herabsetzung des Bindemittelgehaltes gegenüber
der klassischen Knetmischmethode erzielt würde, liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, diesen Bindemittelzusatz noch weiter herabzusetzen und noch mehr Bindemittel
einzusparen. Diese Aufgabe wurde gemäß der Erfindung bei einem Verfahren zur Einsparung
von bituminösen Bindemitteln bei der Brikettierung von getrockneten, feinkörnigen
Steinkohlen aller Art, bei dem die Steinkohleteilchen in vorübergehenden Schwebezustand
versetzt und dabei durch Besprühen mit unter Flüssigkeitsdruck zerstäubtem Bindemittel
umhüllt werden, dadurch gelöst, daß vor dem Aufsprühen und/oder während des Aufsprühens
des Bindemittels Sattdampf niederen Druckes der Zone schwebender Kohleteilchen zugegeben
wird. Hierdurch wurde die Schwierigkeit überwunden, daß jede Zufuhr eines Gasstromes
in die Schwebezone die Umhüllung der Teilchen stört, wie dies bei Zuführung von
überhitztem Dampf infolge der hohen Strömungsgeschwindigkeiten der Fall gewesen
wäre. Aus diesem Grund hat der Dampf bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Form
von Sattdampf, der mit möglichst niedriger Temperatur und niedriger Spannung an
geeigneter Stelle so eingeführt wird, daß beim Auftreffen des Dampfes auf die schwebenden
Kohleteilchen keine Gasströmung mehr auftritt und das Bewegungsmoment der Wasserteilchen
aufhört. Die Einführung von Dampf mit einer Temperatur nur wenig über 100° C und
möglichst unter 1 atü Druck erfolgt in zweckentsprechender Weise entweder durch
Öffnungen außerhalb des Pechsprühkegels oder aber von unten in die vom Schaufelwerk
aufgewirbelte Kohle, gleichzeitig mit der Besprühung der frei schwebenden Kohle
durch das Pech.
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Bei geeigneter Zugabe des Dampfes zu dem in der Wirbelvorrichtung
erzeugten Gemisch werden die Pechfilme noch weiter ausgebreitet und gelangen auch
in dünnster Stärke in die Kapillaren und Poren der Kohleteilchen.
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Merdurch erhält das Bindemittel einen noch höheren Wirkungsgrad. so
daß bei geeigneter Steuerung nahezu der als Optimum anzusehende minimale Pechgehalt
er-eicht werden kann.
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Bei allen diesen Maßnahmen ist es erforderlich, daß der zugeführte
Dampf genau abgemessen und kontrolliert weiden kann, wozu die gebräuchlichen Instrurneiite
zu verwenden sind. Wenn nur überhitzter Dampf zur Ver`ügung steht, so :tann derselbe
durch Abkühlung und ;egebenenfalls durch Zufuhr von Wasser durch 1njektordüsen saturiert
werden. Schließlich ist dafür Sorge zu tragen, daß sich auf den Wurfschaufeln während
des Wirbelvorganges keine Aufhäuzungen von Brii.ettiergut bilden. Es hat sich gezeigt,
daß diese Schaufeln volll:omr!_°n glatte Oberflächen besitzen müssen, was durch
Überzüge der Schaufeln mit polie-tem Aluminiumblech erreicht werden kann. Die Schaufeln
können auch aus Drahtgeflechtscheiben gebildet werden.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Zerstäubungsmischvorrichtung
zur Durchführung des beschriebenen Brikettierverfahrens dargestellt.
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Im unteren Teil des Behälters 1 sind zwei gegenläufg rotierende
Wellen 2, 3 mit Wurfschaufeln 4 angeordnet. 5 ist ein Heizmantel und 6 ein Rundschieber
für den Auslaß des Mischgutes.
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In. oberen Teil des Behälters 1 sind Bindemitteldüsen 7 angeordnet,
denen flüssiges Pech unter Druck durch die Leitung 8 zugeführt wird. Um die Bindemitteldüsen
7 ist ein Kranz von Dampfdüsen 9 vorgesehen, denen Sattdampf durch die Leitung 10
zugeführt wird. 11 ist die Schwebezone, in welche die Kohleteilchen durch die rotierenden
Wurfschaufeln emporgeschleudert werden. Die Umfangssgeschwindigkeit der Schaufeln,
die etwa 270 cm/s beträgt, und die Form der Schaufeln werden so eingestellt, daß
die Zone 11, in welcher sich die Kohleteilchen in Schwebe befinden, nach oben annähernd
horizontal abgegrenzt ist.
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Die Dampfzufuhr erfolgt durch eine Leitung 12, die beispielsweise
an eine Heißdampfquelle angeschlossen ist; 13 ist eine Druckminderungsanlage, die
den Dampfdruck auf höchstens 1 atü reduziert. 14 und 15 sind Manometer zur Anzeige
des Dampfdruckes vor und nach der Druckminderungsanlage. Ein elektromagnetisch betätigtes
Ventil 16 zum Abstellen der Dampfzufuhr wird beispielsweise vom Durchflußmesser
des Bindemittels gesteuert, so daß bei Beginn der Versprühung des Bindemittels das
Ventil gaöffnet und bei beendeter Versprühung des gemessenen Bindemittels geschlossen
wird. Nach dem Ventil 16 ist eine Dampf-Wasser-Mischdüse 17 in die Dampfleitung
eingeschaltet, welche mittels einer Venturidüse 18 Wasser durch die Leitung 19 ansaugt,
welches den Dampf kühlt und sättigt. 20 ist die Wasserzuleitung zum Behälter 21
und 22 die Wasserrückleitung. Nach der Mischdüse 17 gelangt der Naßdampf
durch die Leitung 10 mit Regulierventil 23 zu den Dampfdüsen 9 im Mischbehälter.
Es besteht. auch die Möglichkeit einer seitlichen Zugabe von Naßdampf in die Schwebezone
11 im Behälter 1 durch die Düsen 24, die über eine Leitung 25 mit Regulierventil
26 ebenfalls an die Mischdüse 17 angeschlossen sind.
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Das Verfahren zur Brikettierung von Steinkohl kann etwa folgenderweise
durchgeführt werden:
237,5 kg Steinkohlengrus von einer Temperatur
von 90° C werden in die Aufwirbelungsvorrichtung eingeführt, und das Getriebe der
Wellen 2 und 3 wird mit 72 U/min angetrieben, entsprechend einer Umfangsgeschwindigkeit
der Schaufeln 4 von 240 cm/s. Der Kohlengrus wird von den Schaufeln ständig
in die Schwebezone 11 emporgeschleudert, wo die Teilchen eine gewisse Zeit
suspendiert bleiben, bevor sie wieder zum Behälterboden herunterfallen, um erneut
emporgeschleudert zu werden. Hierauf werden 12,5 kg Hartpech von 60° C Erweichungspunkt
(durch Anthrazenölzusatz erreicht) unter Druck von 20 atü und einer Temperatur von
175° C durch die Düsen 7 auf die schwebende Kohle zerstäubt. Der Pechanteil beträgt
also ungefähr 5 Gewichtsprozent. Die Eindüszeit des Pechs beträgt 25 Sekunden. Während
der Zerstäubung des Pechs wird Wasserdampf in einer Menge von 10 kg Wassergewicht
bei einem Druck von 0,75 atü durch die Düsen 9 in die Schwebezone im Behälter eingeblasen.
Sofort nach Versprühen des Pechs wird der Schieber 6 geöffnet und das Mischgut aus
dem Behälter abgezogen und durch eine Transportschnecke der Brikettierpresse zugeführt.
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Die Dampfzufuhr zum Mischraum könnte auch durch den Boden des Behälters
1, z. B. durch als Sieböffnungen ausgebildete Wandteile, die gegen Verstopfung
durch das Mischgut abzudecken sind, erfolgen.
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Das angeführte Zahlenbeispiel kann je nach den Verhältnissen, der
Art der verwendeten Kohle und des Bindemittels variiert werden.
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Bei der Erzeugung des Kohle-Pech-Gemisches gemäß dem beschriebenen
Verfahren ist es also möglich geworden, durch direkte mechanische Vorkehrungen und
Maßnahmen ein Brikettiergut herzustellen, das es bei einem Pechgehalt von 4,5 bis
5% erlaubt, gepreßte Briketts von der vorgeschriebenen Hebelfestigkeit (etwa 50
kg und mehr) herzustellen, und zwar ohne Zuhilfenahme von Zwischenverfahren oder
Chemikalien, wie Emulsionen usw. Es ist ferner mit diesem Verfahren erreicht worden,
daß bei der Brikettfabrikation das Zerkleinern, Manipulieren und Vermahlen des Hartpechs
wegfällt; diese Vorgänge haben in steigendem Maße zu Schwierigkeiten geführt. Insbesondere
sind Schädigungen der Gesundheit des mit der Brikettherstellung beschäftigten Personals
beobachtet worden, da der bei der Zerkleinerung unvermeidlich auftretende Pechstaub
starke Reize auf Haut und Atmungsorgane ausübt, die zu Krankheiten führen können.
Die Behandlung des Pechs erfolgt nach dem neuen Verfahren durchweg in flüssigem
Zustande; das Pech kann in heizbaren Kesselwagen flüssig angeliefert werden.
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Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß nicht nur eine Pechersparnis
von 25 bis 30°/o erreicht werden kann (im bisherigen Betrieb mit gemahlenem Hartpech
wurden 6,5 bis 6,7°,lo Pech verbraucht), sondern daß auch durch die weit wirksamere
Verteilung des Pechs Briketts von höherer Festigkeit und besserer Qualität hergestellt
werden können.
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Insbesondere kann mit dem neuen Verfahren auch ausschließlich Steinkohlenstaub
mit dem Pech vermischt, bzw. jedes einzelne Staubteilchen mit einem Pechfilm überzogen
werden.