DE2300893A1 - Verfahren zum schmelzen von mineralen in einem schachtofen - Google Patents

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PATENTANWALT DIPL.-ING. H. STROHSCHÄNK

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9.1.1973-SLa(5) 188-1OH3P

Rockwool Aktiebolaget S-5H1 01 Skövde 1 (Schweden)

Verfahren zum Schmelzen von Mineralen in einem Schachtofen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schmelzen von Mineralen für die Herstellung von Mineralwolle in einem, außerdem mit Brand- und Bodenkoks beschickten Schachtofen» wobei zusätzliche Maßnahmen getroffen sind, um den Koks mit einer ihn vor einer vorzeitigen Reaktion bewahrenden Schutzschicht zu versehen, deren Schmelztemperatur niedriger als die Temperatur in der Verbrennungszone des Schachtofens ist.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einem "Schachtofen" ein Ofen mit einem lotrechten Schacht verstanden, in dessen oberen Teil das zu schmelzende Gut, im vorliegenden Fall Minerale, und der zum Beheizen des Ofens benötigte Brennstoff gemeinsam eingebracht werden und durch den außerdem die Verbrennungsgase abziehen. Der Schacht ist unten durch einen Boden abgeschlossen, über welchem sich in kleinem Abstand Öffnungen zum Einführen von Blasluft für die Verbrennung befinden, die im allgemeinen unter hohem Druck steht und vorgeheizt ist. Die genannten Öffnungen werden im allgemeinen "Düsenreihe" bezeichnet. Schließlich weist der Schachtofen unten auch noch eine oder mehrere Öffnungen zum Ausbringen des Schmelzgutes auf.

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Als Brennstoff für Schachtöfen dient im allgemeinen Koks und es ist deshalb nachstehend von einer alleinigen Verwendung von Koks als Brennstoff für den Schachtofen ausgegangen, obgleich in der Praxis außerdem auch noch Gas oder öl als weiterer Brennstoff in irgendeiner Weise, beispielsweise gemeinsam mit der Blasluft zugeführt werden kann, um dadurch einen Teil des Kokses zu ersetzen.

Bei Inbetriebnahme eines Schachtofens wird dessen Boden zunächst mit einer bestimmten Menge Koks, "Bodenkoks" genannt, bedeckt und dieser Koks angezündet. Während des Betriebes wird dann der verbrauchte Koks laufend durch weiteren Brennstoff, d.h. zumindest überwiegend durch sogenannten "Brandkoks" ersetzt. Dabei kann der zunächst eingefüllte Bodenkoks entweder mit der zu schmelzenden Gut vermischt oder schichtweise abwechselnd Bodenkoks und zu schmelzendes Gut eingebracht werden.

Die zwischen dem Bodenkoks, d.h. auch dem während des Ofenbetriebs späterhin jeweils über dem Boden in der Verbrennungszone befindlichen Koks und dem darüber befindlichen, laufend zugeführten Brandkoks auftretende Reaktion ist sehr kompliziert und bisher noch nicht völlig geklärt. Es beetehen hierzu zahlreiche, sich teilweise widersprechende Theorien» die aber bezüglich einiger grundlegender Vorgänge übereinstimmen. So kann man davon ausgehen, daß dicht über der Stelle der Einführung der Blasluft eine übliche exotherme Verbrennung nachfolgender Formel stattfindet:

Entsprechend der exothermen Reaktion steigt die Temperatur, bis aller verfügbarer Sauerstoff verbraucht ist, wodurch die Gase ihre höchste Temperatur in einem Bereich erreicht haben, der als obere Grenze der sogenannten "Verbrennungszone" bezeichnet wird. Wenn der Ofen richtig beschickt wurde und ihm auch die richtige Ituftmenge zugeführt wird, dann ergibt sich die genannte

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obere Grenze der Verbrennungszone gerade am oberen Rand der Bodenkoksschicht. Die heißen Gase steigen aus der Verbrennungszone nach oben in die sogenannte "Schmelzzone". Beim Eintritt in die Schmelzzone haben die heißen Gase damit ihre höchste Temperatur, wodurch das zu schmelzende Gut geschmolzen wird. Das erzeugte Schmelzgut ist dann verhältnismäßig dünnflüssig und fließt nach unten über den restlichen Bodenkoks, durch den es weiter erhitzt wird, bis «s schließlich den Boden des Schachtofens bedeckt, von dem es kontinuierlich oder chargenweise diskontinuierlich abgezogen wird.

Bei diesem beschriebenen Ofenbetrieb läßt es sich in der Praxis bisher nicht vermeiden, daß die zu einem großen Teil CO« enthaltenden Verbrennungsgase auf ihrem Wege durch die Schmelzzone auch den nach unten fallenden Brandkoks umströmen, wodurch eine endotherme Reaktion nachfolgender Formel stattfindet:

CO₂ ♦ C ϊ 2 CO.

Entsprechend der stattfindenden Reduktion von CO₂ zu CO sinkt auch die Temperatur des Gichtgases. Dies bringt wiederum eine Verringerung der Vorheizung des nach unten fallenden, zu schmelzenden Gutes mit sich, bevor dieses in die Schmelzzone gelangt, während zugleich Koks in der Form unvollständig verbrannten Kohlenoxyds verloren geht. Es stellt also einen beträchtlichen Nachteil dar, daß das in die freie Atmosphäre austretende Gichtgas beträchtliche Mengen an giftigem CO-Gas enthält, wozu der weitere Nachteil kommt, daß im allgemeinen noch besondere, meist verhältnismäßig teuere Haßnahmen ergriffen werden müssen, um diesen Anteil des Gases ungefährlich zu machen.

Es sind nicht nur diese Nachteile, sondern auch bereits eine

3ihe von Vorschlägen bekannt, um diese Nachteile zu vermeiden.

Man kann zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit beispielsweise das in den Gichtgasen befindliche CO nachverbrennen und die da-

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durch zusätzlich erhaltene Wärme zum Vorheizen ausnutzen. Die hierfür erforderlichen Vorrichtungen sind indessen teuer.

Gemäß einem anderen Vorschlag ist es bekannt, die Gichtgase unmittelbar nach dem Verlassen der Verbrennungszone seitlich aus dem Ofen abzuziehen, wodurch die vorgenannte Reduktion von vornherein vermieden werden soll. Dabei ist aber wiederum nachteilig, daß die Gichtgase die im Ofenschacht befindliche Füllung des Ofens nicht mehr vorheizen können. Überdies besitzen die Gichtgase unmittelbar nach dem Verlassen der Verbrennungszone eine Temperatur von über 2OOO°C, was es wiederum aus Materialgründen erschwert, das so heiße Gichtgas auf wirtschaftliche Weise abzuleiten.

Ein weiterer bekannter Vorschlag sieht vor, den Ofenschacht in zwei voneinander getrennte Schächte aufzuteilen, die parallel nebeneinander oder konzentrisch zueinander verlaufen. Durch den einen Schacht gelangt der Brandkoks und durch den anderen Schacht das zu schmelzende Gut zur Schmelzzone, während die Gichtgase lediglich durch den letzteren Schacht nach oben steigen können. Aber auch ein solches Verfahren begegnet wegen der hohen Gichtgastemperaturen praktisch unüberwindlichen Schwierigkeiten. Wenn der Brandkoks getrennt von dem zu schmelzenden Gut zugeführt wird, hat sich als weitere Schwierigkeit ergeben, daß diese beiden Bestandteile sich im untersten Teil der Schmelzzone und in der Verbrennungszone nur unzureichend vermischen, wodurch der Wirkungsgrad eines solchen Schachtofens unvertretbar niedrig wird.

Insbesondere in den als Schmelzöfen verwendeten Schachtofen hat man weiterhin bereits brikettierten Koks verwendet. Zu diesem Zweck erfolgt eine Zusammenpressung kleiner Koksstücke gemeinsam mit Kokslösche und Schwarzkohlenteer als Bindemittel. Bis zu einer bestimmten Temperatur bleiben diese Briketts formhaltig,

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stimmen bei höheren Temperaturen aber mit den Eigenschaften normalen ' Stückkokses nahezu überein. Es ist nicht ganz klar, weshalb mit dieser Koksart nach der Verbrennung eine geringere Reduktion als bei Verwendung normalen Kokses erzielt werden kann, es dürfte aber die Annehme berechtigt sein, daß diese Briketts, auf ihr Kohlengewicht bezogen, nur eine verhältnismäßig kleine Angriffsfläche für die Verbrennung bieten und das Kohlenmaterial deshalb an der vorgenannten Reaktion nur weniger als das Kohlenmaterial üblichen Stückkokses teilnehmen kann. Indessen haben Versuche gezeigt, daß die erzielte Verringerung der Reaktion nur so gering ist, daß dem entsprechenden Gewinn ein beträchtlich größerer Aufwand für die Herstellung der Koksbriketts gegenübersteht.

Schachtöfen werden im allgemeinen für zwei ganz unterschiedliche Zwecke verwendet, nämlich einerseits zum Schmelzen von Metallen und anderseits zum Schmelzen von Steinen.

Bei dem zum Schmelzen von Eisen bekannten "Corsalli-Verf*hren" wird der Koks zur Minderung seines Verbrauchs zunächst geschlämmt, Dadurch soll der CO-Gehalt des aufsteigenden Gichtgases verringert werden. Dies bringt es aber mit sich, daß zugleich die gewünschte Reduktion von Eisenoxyd zu metallischem Eisen verringert wird, so daß ein Teil des Eisenoxydes aus dem Ofen zusammen mit der Schlacke entfernt wird. Es ergibt sich damit »leo ein schlechterer Wirkungsgrad in der Eisenerzeugung, der zusammen mit den Unkosten für das Schlämmen des Kokses dazu geführt hat, daß dieses Verfahren heute nicht mehr angewendet wird.

Beim Schmelzen von Steinen herrschen demgegenüber andere Bedingungen. Wenn dieses Material irgendwelche Eisenoxyde oder andere zersetzbare Bestandteile enthält, aus denen Eieenoxyd entstehen kann, besteht gerade der Wunsch, daß diese Bestandteile in der Oxydform bestehen bleiben und nicht zu metallische» Eisen reduziert werden. Das Einschmelzen von Steinen erfolgt vor allem zur Herstellung von Mineralwolle durch anschließendes Spinnen

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des Schmelzgutes, Als Minerale werden im wesentlichen verschiedene vulkanische Gesteine, z.B. Diabas verwendet. Die Steine sollten so vollständig wie möglich zu Oxyden verwandelt werden und das Schmelzgut 'sollte ein Glas sein, wobei das im Diabas etwa vorhandene Eisen nicht zu metallischem Eisen reduziert werden soll, weil die erzeugte Mineralwolle sonst ihre Wärmeisolationseigenschaften in beträchtlichem Umfange verlieren würde. Beim Einschmelzen der Steine je entstehendes metallisches Eisen sinkt auf den Boden des Schachtofens herab und muß von dort von Zeit zu Zeit abgezogen werden, was jedoch jedes Mal zu einer Unterbrechung des Ofenbetriebs führt.

Ein weiterer Unterschied zwischen einem Schachtofenbetrieb als Schmelzofen für Eisen und als Schmelzofen für Steine liegt darin, daß es im letzteren Falle notwendig ist, den S^hm«*"¹ zpunkt herabsetzende Zuschlags stoffe zuzusetzen, und zwar vor· allem beim SehmelzeB von Diabas oder anderen vulkanischen Gesteinen. Der Zuschlagsstoff besteht im allgemeinen aus einer basischen Sehlacke oder einem Mineral, die bzw. das mit dem vulkanischen Gestein unter Bildung von Silikaten gegenüber dem Rohmaterial niedrigeren Schmelzpunktes chemisch reagiert. Am meisten verbreitet ist der Zusatz von Kalkstein, der bei seiner Zersetzung Kohlenoxyd freigibt. Dadurch wird die nach oben aufsteigende Menge von Kohlenoxyd gegenüber der sonst aufsteigenden Kohlenoxydmenge vergrößert. Daraus folgt, daß es bei einem Schachtofen, der zum Schmelzen von Mineral verwendet wird, von besonderer Wichtigkeit ist, daß das Kohlenoxyd nicht durch einen Bereich des Ofens strömt, in dem der darin vorhandene Koks gerade am intensivsten verbrennt. Eine erhöhte Bildung von Kohlenoxyd würde hierbei zu einem erhöhten Verlust an Koks führen. Ein Schlämmen des Kokses hat in diesem Fall die Wirkung, daß der Koks erst bei wesentlich höheren Temperaturen reduktionsfähig ist _s als sie beim Abspalten von Kohlenoxyd aus Kalkstein vorhanden ist, sofern das Schlämmen des Kokses in einem geeigneten

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Schlamm erfolgt. Man kann deshalb Kalkstein zum Herabsetzen des Schmelzpunktes des Minerals verwenden, ohne befürchten zu müssen, daß das dadurch abgespaltene Kohlenoxyd zu einer Vergrößerung des Koksbedarfes führen würde.

Aus vorstehendem folgt, daß ein Schlämmen des Kokses, das bei einem Schachtofenbetrieb zum Schmelzen von Eisen nachteilig ist, bei einem Ofenbetrieb zum Schmelzen von Steinen vorteilhaft ist, und zwar insbesondere dann, wenn aus dem Schmelzgut Mineralwolle gewonnen werden soll. Während die Vorgänge beim Schachtofenbetrieb zum Schmelzen von Eisen schon verhältnismäßig weitgehend erforscht sind, fehlen entsprechende Erkenntnisse für einen Ofenbetrieb zum Schmelzen von Steinen noch vollständig. Es war diesbezüglich bisher nicht einmal bekannt, daß zwischen den beiden Anwendungsarten des Schachtofens die vorgenannten wesentlichen Unterschiede bestehen.

Zum anschließenden Herstellen von Mineralwolle beschickt man einen Schachtofen vorzugsweise mit verschiedenen feingekörnten Mineralen hohen Schmelzpunktes. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die weiterhin verwendeten Materialien eine gegenseitige Bindungsfähigkeit besitzen, wie es bei Zement oder Zementkalk der Fall ist. Eine solche Bindungsfähigkeit führt zur Bildung einer die Koksstücke umgebenden Schutzschicht, die mit der Oberfläche des Kokses eine gute Bindung eingeht und auch die Löcher und Vertiefungen in der Oberfläche der Koksstücke ausfüllt. Zu beachten ist in diesem Zusammenhang, daß solche Löcher und Aushöhlungen der Oberfläche durch die hohe Temperatur in einem Schachtofen zum Zerfall des Koksstückes und damit zu einer entsprechenden Vergrößerung der für die Reaktion zur Verfügung stehenden Oberfläche führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren unter einer geeigneten Abwandlung des vorstehend zu¹-»tzt geschilderten Verfahrens so zu vervollkommnen»

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daß ein noch besserer Schutz des im Schacht des Schachtofens absinkenden Kokses vor einer vorzeitigen Reaktion mit den im Schacht aufsteigenden Gichtgasen als bisher erzielt wird.

Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Schutzschicht, die die gegenüber der Temperatur in der Verbrennungszone des Schachtofens niedrigere, im Verhältnis zu der außerhalb der Verbrennungszone vorhandenen Temperatur aber eine hohe Schmelztemperatur aufweist, auf den Koks, insbesondere Brandkoks, schon vor dessen Einbringung in den Schachtofen aufgebracht wird.

Mit einem solchen Verfahren wird gegenüber den vergleichbaren bekannten Verfahren eine wesentliche Verringerung des Brennstoffverbrauchs, insbesondere des Koksverbrauchs, erzielt. Man kann somit bei der Beschickung des Ofens den Koksanteil entsprechend verringern, was den weiteren Vorteil mit sich bringt, daß der Anteil.an zu schmelzenden Mineralen und damit zugleich die Leistung des Schachtofens entsprechend erhöht werden kann. Außerdem ergibt sich eine wirksamere Vorheizung der Minerale im Ofenschacht, weil die vor einer endothermen Reduktion von CO₂ zu CO bewahrten Gichtgase heißer bleiben. Auch hierdurch ergibt sich eine weitere Leistungssteigerung für einen Schachtofen gegebener Abmessungen, ohne daß hierzu etwa weitere konstruktive Aufwendungen, wie sie beispielsweise etwa zur Zuführung einer größeren Blasluftmenge erforderlich wären, notwendig sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird eine dünne Schutzschicht durch Aufsprühen eines entsprechenden Schlammes auf den Koks oder durch Eintauchen des Kokses in diesen Schlamm aufgebracht und die aufgebrachte Schicht anschließend noch vor dem Einbringen des Kokses in den Sehachtofen teilweise oder ganz getrocknet, wodurch die angestrebte Schutzwirkung gegenüber vorzeitigen Reaktionen des Kokses bereits unmittelbar nach dem Einbringen des Kokses in den Ofenschacht sichergestellt wird. .

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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden dem zur Bildung der Schutzschicht bestimmten Schlamm in der Mineralschmelze lösbare Stoffe, insbesondere Metalloxyde, zugesetzt. Durch Versuche hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Oberfläche des Kokses mit einer solchen Schutzschicht versehen wird, die nicht nur die Geschwindigkeit der normalen Reaktion herabsetzt, sondern an der bei entsprechend hohen Temperaturen stattfindenden eigentlichen Reaktion auch selbst in nützlicher Weise teilnimmt. Zu diesem Zweck verwendet man natürlich nur solche Zuschlagsstoffe, die dem Schmelzprozeß der Minerale förderlich sind.

Andere Ausgestaltungen der Erfindung betreffen weitere Vervollkommnungen des erfindungsgemäßen Verfahrens·

Die Erfindung wird nachstehend anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel wird der auf einer ebenen Fläche ausgebreitete Koks mit einem zur Bildung einer dünnen Schutzschicht geeigneten Schlamm" besprüht, der aus einer Aufschlämmung von Zementkalk in Wasser besteht. Anschließend wird der mit der noch feuchten Schutzschicht versehene Koks derart getrocknet, daß die Schicht am Koks hinreichend haften bleibt, woraufhin der Koks einem Silo zugeführt wird, aus dem er nach Bedarf zum Schachtofen hin entnommen werden kann. Die Menge des in dieser Weise in einer dünnen Schicht auf den Koks aufgebrachten Kalkes ist so gering im Verhältnis zur Menge des außerdem ohnehin zu anderen Zwecken zugesetzten Kalkes, daß die Gesamtkalkmenge im Rahmen üblicher Toleranzen eingehalten bleibt. Es entfällt damit also normalerweise die Notwendigkeit einer mengenmäßigen Berücksichtigung des auf den Koks zur Bildung der Schutzschicht vorher aufgebrachten Kalkes.

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Entsprechend einem zweiten Ausführungsbexspiel wird der in Wasser aufgeschlämmte Kalk, vor dem Aufsprühen auf den Koks mit irgendeinem geeigneten, seine Haftung am Koks beschleunxgenden Bindemittel wie Leim, Gips od.dgl. einer schnellen Bindefähigkeit vermischt. Im Falle der Verwendung von Leim wird ein Leim auf Zellulosebasis bevorzugt.

Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die Schutzschicht des Kokses einen höheren Schmelzpunkt als der Hauptteil der im Schachtofen befindlichen Charge besitzt. Nach der verzögerten Verbrennung des Kokses gelangt wenigstens ein Teil der Schutzschicht noch unverändert mit dem schmelzenden Mineral bis zum Boden des Schächtofens, wo er eine Reaktion mit der Hauptmenge des geschmolzenen Minerals und allen sonst noch hinzugefügten Zuschlagsstoffen eingeht, so daß ein homogenes Schmelzgut erhalten wird, das gut für eine anschließende Verspinnung zu Mineralwolle geeignet ist. Es hat sich gezeigt, daß insbesondere aufgrund dieser Reaktionen eine bemerkenswert vorteilhafte Homogenisierung des Schmelzgutes erzielt wird.

Ein dem Schlamm zugesetztes Bindemittel sollte zumindest hydraulisch und vorzugsweise in Wasser löslich sein, weshalb Wasserglas für diesen Zweck bevorzugt wird. Im übrigen können dem zur Bildung der Schutzschicht bestimmten Schlamm auch noch weitere, in der Mineralschmelze gewünschte Stoffe, wie beispielsweise Mineraloxyde, zugesetzt werden, die über dem Boden des Schachtofens in die Mineralschmelze mit eingeschmolzen werden.

Die Aufbringung des zur Bildung der Schutzschicht bestimmten Schlammes auf den Koks kann statt durch Aufsprühen auch durch Eintauchen des Kokses in den Schlamm bewirkt werden.

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Claims (7)

1. Verfahren zum Schmelzen von Mineralen für die Herstellung von Mineralwolle in einem außerdem mit Brand- und Bodenkoks beschickten Schachtofen, wobei zusätzliche Maßnahmen getroffen sind, um den Koks mit einer ihn vor einer vorzeitigen Reaktion bewahrenden Schutzschicht zu versehen, deren Schmelztemperatur niedriger als die Temperatur in der Verbrennungszone des Schachtofens ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schutzschicht, die die gegenüber der Temperatur in der Verbrennungszone des Schachtofens niedrigere, im Verhältnis zu der außerhalb der Verbrennungsζone vorhandenen Temperatur aber eine hohe Schmelztemperatur aufweist, auf den Koks, insbesondere Brandkoks, schon vor dessen Einbringung in den Schachtofen aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine dünne Schutzschicht durch Aufsprühen eines entsprechenden Schlammes auf den Koks oder durch Eintauchen des Kokses in diesen Schlamm aufgebracht und die aufgebrachte Schicht anschließend noch vor dem Einbringen des Kokses in den Schachtofen teilweise oder ganz getrocknet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schlamm noch vor seiner Aufbringung ein Bindemittel wie Leim, Gips o.a. zugesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Bindemittel ein hydraulisches Bindemittel zugesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem zur Bildung der Schutzschicht bestimmten Schlamm in der Mineralschmelze lösbare Stoffe, insbesondere Metalloxyde, zugesetzt werden.

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6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein eine Lösung von Zuschlagsstoffen, wie Leim od.dgl. aufweisender Schlamm verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wasserglas enthaltender Schlamm verwendet wird.

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