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"Verfahren zur Herstellung von wasserlöslichen Alkali-
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metallsilikaten" Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren
zur Herstellung wasserlöslicher Alkalimetallsilikate aus Siliciumdioxid und geeigneten
Alkalimetallverbindungen im Schmelzprozeß, bei dem die Reaktionskomponenten zuvor
einer thermischen Aufbereitung unterworfen werden.
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Die Herstellung wasserlöslicher Alkalimetallsilikate gemeinhin als
Wassergläser bezeichnet -erfolgt im technischen Maßstab in der Regel durch Zusammensdimelzen
von Siliciumdioxid, beispielsweise in Form von Sand, Quarzmehl, Kieselsäure oder
dergleichen, und geeigneten Alkalimetallverbindungen, vorzugsweisc den Alkalimetallcarbonaten
sowie gegebenenfalls den Hydrogencarbonaten oder Hydroxiden, in hierfür geeigneten
Öfen bei Temperaturen im Bereich von 1000 bis 1600°(:.
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Aufgrund des im Gemisch der L'eaktionskomponenten gewählten Verhältnisses
von SiC)2 zu Me2O (Me - Alkalimetall) resultieren bei diesem Schmelzprozeß Produkte
mit einem SiO2/Me204tolverhältnis von 1 : 1 (Metasilikate) , solche mit einem Molverhältnis
3,5 : 1 (sogenannte neutrale WasserglSser), bis hin zu Alkalimet-ilsilikaten, die
ein Molverhältnis von er 4 : 1 aufweisen (hochkiesels'Iurehaltige Wassergläser).
Im allgemcinen wird die beim Abkühlen erstarrende Schmelze -das sogenannte Stückenglas
- nschließend in cine weiteren Verfahrensschritt unter Anwendung von Druck
und
erhöhten Temperaturen im Wasser gelöst.
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Aufgrund der verfahrensbedingt relativ hohen Temperaturen erfordert
ein solcher Schmelzprozeß einen entsprechend hohen Energiebedarf und mithin einen
gleichfalls hohen Kostenaufwand. Die Beheizung eines Schmelzofens erfolgt in technisch
gebräuchlicher Weise mit Hilfe von Brennern, in denen zum Beispiel schweres Heizöl
in offener Flamme verbrannt und so die zum Zusammenschmelzen der Reaktionskomponenten
notwendige rmeenergie erzeugt wird. Im Hinblick auf die Rilckgewinnung der mit den
heißen Prozeßabgasen abgeführten Energie, werden diese Abgase in der Regel durch
periodisch wechselnde Wärmeaustauscher - in der Literatur auch als Regenerativkammern
oder Regeneratoren bezeichnet - geleitet, um die für die Verbrcnnung erforderliche
Frischluft aufzuheizen. Auf diese Weise gelingt es, die in den Prozeßabgasen - auch
Rauchgasen genannt - enthaltene Wärmeenergie zumindest partiell wieder dem Schmelzprozeß
zuzuführen. Die mit Hilfe des Regenerativsystems erzielbaren Rückgewinnungsraten
betragen jedoch im Schnitt nur 50 bis 60 l, bezogen auf den gesamten Energiegehalt
der Rauchgase. Der restliche Energieanteil geht dem eigentlichen Schmelzprozeß verloren,
da die Rauchgase im allgemeinen nach Passieren der Regenerativkammern in einen Abluftkamin
geleitet werden.
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Eine weitergehende Nutzung des in den Rauchgasen verbliebenen restlichen
Energieanteils im Rahmen des Gesamtprozesses ist beispielsweise aus der Zementindustrie
bekannt. Hierbei wird das Zement-Rohmehlgemisch mit den heißen Prozeßabgasen in
intensiven Kontakt gebracht und so vor der Einführung in den Drehrohrofen aufheizt.
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Eine entsprechende thermische Vorbehandlung der Reaktionskomponenten
ist jedoch im Falle der Wasserglas-Her-
stellung mit beträchtlichen
Nachteilen verbunden, die eine Obertragung dieses Verfahrensprinzips auf die Gewinnung
wasserlöslicher Alkalimetallsilikate im Schmelzprozeß grundsätzlich in Frage stellen
beziehungsweise nicht zulassen.
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In erster Linie handelt es sich hierbei um die Entmischung des Reaktionskomponenten-Gemisches
im Rauchgasstrom. Für die Herstellung von Wasserglas im Schmelzprozeß ist es nämlich
unerläßlich, die Reaktionskomponenten vor der Einführung in den Schmelzofen gründlich
- beispielsweise mit Hilfe von Mischschnecken - zu durchmischen, da in den technisch
gebräuchlichen Wannenöfen keine weitere Durchmischung der Reaktionskomponenten erfolgt.
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Nur ein homogenes Gemisch der Komponenten garantiert aber ein gleichmäßiges
Schmelzverhalten und somit ein entsprechend gleichförmiges Produkt mit einem konstanten
SiO2/Me20-Verhältnis. Aufgrund der unterschiedlichen Teilchengrößen und Schüttgewichte
der Reaktionskomponenten - beispielsweise Sand und Soda - filhrt jedoch die zur
Wärmeübertragung erforderliche, intensivc Behandlung des homogenen Gemisches mit
den heißen Prozcßabgasen zu Entmischungserscheinungen, die sich hinsichtlich des
Schmelzverhaltens iln nachfolgenden Schmelzprozeß sowie hinsichtlich der Einheitlichkeit
des gebildeuten Produktes äußerst nachteilig auswirken. Ferner führen die in den
Rauchgasen üblicherweise enthaltenen Schwefelverbindungen, zum Beispiel SO2 oder
S03, zu und erwünschten Reaktionen mit den Alkalimetallkompollenten des Gemisches,
wobei die gebildeten Alkalimetallsulfate in der Alkalimetallsilikatsclimelze verbleiben
und das gewonnene Wasserglas verunreinigen. Diese Gründe haben bislang in der Praxis
dazu gfrt, bei der Wasserglas-Herstellung auf eine thermische Vorbehandlung der
llcaktionskomponenten - insbesondere unter Verwendung der Rauchgase - zu verzichten.
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Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zur Herstellung von Wasserglas im Schmelzprozeß zu cntwickeln, bei dem die Reaktionskomponenten
zuvor einer thermischen Aufbereitung unterworfen werden, die vorstehend aufgezeigten
Nachteile jedoch nicht auftreten. Im Hinblick auf die Einsparung an der dem Schmelzprozeß
insgesamt zugeführten Energie betrifft diese Aufgabenstellung insbesondere die Ausnutzung
der mit den Prozeßabgasen abgeführten restlichen Wärmeenergie.
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Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur herstellung von
wasserlöslichen Alkalimetallsilikaten aus Siliciumdioxid und geeigneten Alkalimetallverbindungen
im Schmelzprozeß, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man zuvor a) eine der
beiden Reaktionskomponenten unter Ausnutzung der in den Prozeßabgasen enthaltenen
Wärmeenergie und/oder durch Zuführung prozeßfremder Wärmeenergie erhitzt, b) diese
Reaktionskomponente mit der zweiten homogen vermischt und c) sodann das erhitzte
Gemisch dem Schmelzprozeß zuführt.
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Im Sinne der Erfindung ist cs mithin von wesentlicher lnedeutung,
vor Einführung der Reaktionskomponenten in den Schmelzofen nur eine der beiden Komponenten
zu erhitzen und diese erst nachfolgend mit der zweiten homogen zu vermischen. Auf
diese Weise wird eine tiiernische Aufbereitung der Reaktionskomponenten vor dem
eigentlichen Sdimelzprozeß ermöglicht, bei der ein homogenes, erhitztes Gemisch
der Komponenten resultiert, ohne daß Entmischungserscheinungen sowie die damit verbundenen
negativen Folgen für den Schmelzprozeß zu befürchten wären. Die erfindungsgemiße
thermische Aufbereitung der
Reaktionskomponenten bietet gegenüber
dem herkömmlichen Verfahren zur Wasserglas-Heistellung insbesondere den Vorteil,
daß sich durch die zusätzliche Energiezufuhr die Leistung eines Schmelzofens - bezogen
auf die gewonnene Menge an Alkalimetallsilikat pro Quadratmeter Ofenfläche und Zeiteinheit
(Tag) - bei gleichem Energieaufwand für den eigentlichen Schmelzprozeß beträchtlich
steigern läßt, zum Beispiel etwa 35 % bei einer Vorwärmtemperatur des Sandes von
5000 C. Diese Leistungssteigerung wird insbesondere dadurch hervorgerufen, daß ein
beträchtlicher Anteil der insgesamt erforderlichen Energiemenge dem Gemisch bereits
außerhalb des Schmelzofens durch die vorgewärmte Reaktionskomponente zugefUIIrt
wird, so daß die Verweilzeit im Ofenaggregat, die für die Erwärmung des Reaktionsgemisches
von circa 20 0C bis zur gewünschten Vorwärmtemperattir aufzubringen Bare, entfällt.
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Das Erhitzen der einen Reaktionskomponente kann in technisch einfacher
Weise mit Hilfe gebräuchlicher Wärmeaustauscher erfo)gen. hierzu kommen zum Beispiel
Fallrohre, Drehtrommeln oder Zyklone in Frage in denen das zu erhitzende Gut vorzugsweise
im Gegenstrom mit einem Heißgasstrom behandelt wird. Hin für das erfin-.
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dungsgem.iße Verfahren besonders geeignct.er Gegenstrom-Wärmeaustauscher
besteht beispielsweise aus einem vertikal angeordneten zylindrischen Rohr, das durch
diisenartige Verengungen in mehrere Kammern unterteilt ist.
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Die Reaktionskomponente wird in feinverteilter Worin am oberen Ende
in den Wärmeaustauscher einges!)eist, wobei ihr vom unteren Ende des Wärmeaustauschers
ein heißer Gasstrom entgegenströmt. Beim Passieren der den artigen Verengungen werden
die einzelnen Partikel der Reaktionskomponente infolge der erhöhten Geschwindig-
keit
des Gasstromes kurzzeitig in der Schwebe gehalten, bis sie aufgrund der Anreicherung
wolkenartig in die nächst tiefer gelegene Kammer hinab fallen. Dieser Vorpang wiederholt
sich kontinuierlich bei einer jeden dieser Rohrverengungen, wobei ein äußerst intensiver
Wärmeaustausch zwischen dem heißen Gasstrom einerseits und der zu erwärmenden Reaktionskomponente
andererseits stattfindet. Zur Durchführung des erfindungsgcmaßen Verfahrens können
jedoch darüber hinaus auch generell andersartig konstruierte Wärmeaust:auscher Verwendung
finden, die einen intensiven Wärmeaustausch gewährleisten.
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Zum Erhitzen der Reaktionskomponente läßt sich erfindungsgemäß sowohl
die in den Prozeßabgasen enthaltene Warmeenergie ausnutzen als auch prozeßfremde
Wärmeenergie einsetzen. Im ersteren Falle wird das prozeßeigene Rauchgas als heißer
Gasstrom in den Wärmeaustauscher geleitet, im zweiten Falle dienen hierzu prozeßfremdc
HeiG-gase, beispielsweise ein durch zusätzliche Brellner crzeugter Heißgasstrom
oder auch heiße - gegenüber den Reaktionskomponenten inerte - Ab luft aus anderen
Prozessen. im Interesse einer für das Verfahren ontimalen Temperaturführung kann
es gegebenenfalls von Vorteil sein, den prozeßeigenen Rauchgasstrom mit einem prozeßfremden
Heißluftstrom entsprechend zu vermischen.
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Im hinblick auf eine Ausnutzung der mit den Abgasen des Schmelzprozesses
abgeführten Wärmeenergie werden fÜr das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt die
prozeßeigenen Rauchgase verwendet. In diesem Falle wird vorzugsweise die Siliciumdioxid-Komponente
der thermischen Aufbercitung in Stufe a) des Verfahrens unterworfen.
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Das anschließende Vermischen der auf diese Weise erhitzten Reaktionskomponetlte
mit der zweiten, die üb-
licherweise Umgebungstemperatur aufweist,
läßt sich mit Hilfe geeigneter, für einen solchen Zweck gebrSuchlicher Mischaggregate,
beispielsweise einer Mischschnecke, durchführen. Aufgrund des bei dem intensiven
Vermischen erfolgenden Wärmeaustauscbes zwischen den beiden Komponenten resultiert
erfindungsgemäß ein heißes, homogenes Gemisch beider Reaktionskomponenten, das sodann
dem eigentlichen - in herkömmlicher Art und Weise verlaufenden - Schmelzprozeß zugeführt
wird.
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Zur Erzeugung eines homogenen Gemisches der Reaktionskomponenten ist
es weiterhin von Vorteil, bei der erfindungsgemäßen thermischen Aufbereitung oder
Vorbehandlung ein-Schmelzen der Alkalimetallkomponenten zu vermeiden, um ein usammenbacken
oder Verklumpen dieser Komponenten und damit verbundene InhomogenitSten des Gemisches
zu verhindern. 1)emzufolge ist es erfindungbsgemäß bevorzugt, in Stufe a) eine der
beiden IZeaktionskomponenten bis zu einer Temperiltur zu erhitzen, die zii einer
Mischtemperatur des in Stufe b) resultierenden Gemisches führt, welche unterhalb
der Schmelztemperatur der eingesetzten Alkalimetallverbindung liegt.
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Als Reaktionskomponenten für das erfindungsemäße Verfahren kommen
generell die zur herstellung von Alkalimetallsilikaten im Schmelzprozeß gebräuchlichen
Verbindungen in Frage, beispielsweise Sand, Quarzmehl oder-Kieselsäure als Siliciumdioxid-uelle
sowie Alkalimetallcarbonate, -bicarbonate oder -hydroxide als geeignete Alkalimetallverbindung.
Gegebenenfalls können die Reaktionskomponenten auch in Form von Gemischen der jeweils
geeigneten Verbindungen Verwendung finden.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden bevorzugt
Sand und Alkalimetallcarbonate, zum Bei-
spiel Soda oder Pottasche,
eingesetzt, wobei prinzipiell jede dieser beiden Komponenten vor dem Vermischen
mit der anderen erhitzt werden kann. Im Sinne der Erfindung ist es jedoch bevorzugt,
daß man in Stufe a) des Verfahrens Sand als Siliciumdioxid-Rcaktionskomponente erhitzt
und in Stufe b) mit einem Alkalimetallcarbonat vermischt.
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Der Vorteil dieser bevorzugten Verfahrensweise ist insbesondere darin
zu sehen, daß hierbei die prozeßeigenen Rauchgase zum Erhitzen des Sandes Verwendung
finden können, ohne daß die vorstehend erwähnten Nachteile einer Absorption der
in den Rauchgasen enthaltenen Schwefelverbindungen auftreten. Eine Verunreinigung
des gebildeten Wasserglases wird somit auch beim Einsatz schwefelhaltiger Brennstoffe
vermieden. Hinzu kommt, daß die mit den Rauchgasen aus dem Schmelzofen ausgetragenen
heißen Feststoffanteile zu einem großen Teil vom Sand adsorbicrt werden und auf
diese Weise wieder in den Ofen zurückgelangen. Das erfindungsgemäße Verfahren trägt
somit auch zu einer Reinigung des Abgasstromes bei.
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Demzufolge ist es erfindiingsgemäß bevorzugt, daß man den Sand unter
Ausnutzung der in den Prozeßabgasen enthaltenen Wärmeenergie erhitzt, wobei diese
Abgase vorzugsweise vorher durch Wärmeaustauscher geleitet werden.
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So wird beispielsweise das aus dem Schmelzofen mit einer Temperatur
von 1200 bis 13000C entweichende Rauchgas in Wärmeaustauschern - das heißt Regenerativkammern
auf etwa 600 bis 6500C abgekühlt und nachfolgend in einem geeigneten Gegenstrom-Warmeaustauscher
mit dem Sand in engen Kontakt gebracht. Der hierbei auf eine Temperatur von etwa
SO00C erhitzte Sand wird anschließend mit dem Alkalimetallcarbonat homogen vermischt
und das resultierende Gemisch, das eine Temperatur von
circ-a 350
bis 400 C aufweist, dem Schmelzofen zugeführt. Gegebenenfalls können die Rauchgase
auch direkt zum Erhitzen des Sandes eingesetzt und - falls erwünscht - erst nachfolgend
durch Regenerativkammern geleitet werden. Im Hinblick auf die Homogenität des herzustellenden
Gemisches ist es jedoch zweckm.Hßig, den Sand nur soweit zu erhitzen, daß die Temperatur
des resultierenden Sand/Alkalimetallcarbonat-Gemisches nicht iiber der Schmelztemperatur
des Alkalimetallcarbonates liegt. Bei SandvorwSrmtemperaturen, die oberhalb dieser
Schmelztemperatur liegen, kann der Mischvorgang gegebenenfalls zur Verhinderung
einer Klumpenbildung durch geschmolzenes Alkalimetallcarbonat in der Weise erfolgen,
daß der heiße Sand über mehrcre Zulaufstellen in eine Mischschnecke eingeführt wird,
wobei das fertige Gemisch den Mischer mit einer einheitlichen Temperatur verläßt,
die unterhalb der Schmclztemperatur des Alkalimetallcarbonates liegt.
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Der entscheidende Vorteil einer Verwendung der Rauchgase zum F.thitzen
des Sandes liest in einer Senkung des spezifischen Wärmeverbrauches filr den Schmelzprozeß,
die bei einer Vorwärmtemperatur von beispielsweise 500°C etwa 30 % - bezogen auf
kJ pro kg Alkalimetallsillkat - betragen kann. Dies führt unmittelb<ir zu Einsparungen
der für den Schmelzprozeß erforderlichen Mcnge an Primärenerieträgern, beispielsweise
schwerem Heizöl, die in diesem Falle gleichfalls 30 % der üblicherweise erforderlichen
Menge erreichen kennen.
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In dem nachstehenden Beispiel wird die Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens hinsichtlich der Einsparung an Primärenergieträgern näher erläutert.
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Beispiel Zur Herstellung von Wasserglas im Schmelzprozeß werden als
Reaktionskomponenten Sand und Soda eingesetzt.
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Di.c thermische Vorbehandlung des Sandes erfolgt mit heißem Prozeß
ab gas in einem Gegenstrom-Wärmeaustauscher. Hierbei handelt es sich um ein vertikal
angeordnetes zylindrisches Rohr mit einer Länge von 30 m und einem Durchmesser von
3 m, das insgesamt 4 Einschnürungen bis auf den halben Rohrquerschnitt aufweist.
Der Sand wird mit 13 t pro Stunde am oberen Ende des Wärmeaustauschers eindosiert.
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3 Im Gegenstrom hierzu werden 20 000 m (Normalzustand) pro Stunde
Prozeßabgas, das nach Passieren von Regenerativkammern eine Temperatur von 6200C
aufweist, von unten in den Wärmeaustauscher eingeleitet. Hierbei crwhrmt sich der
Sand auf 4800C unter Ablcilhluny der Rauch gase auf 3200C. Anschließend wird der
erwärmte Sand mit Hilfe einer Mischschnecke im Gewichtsverhältnis von 2 : 1 mit
"kaltert' Soda - das heißt Soda von Umgebungstemperatur - vermischt, wobei ein homogenes
Gemisch mit einer Temperatur von 3600C rcsultiert. l)ieses vorgewärmte Gemisch wird
dem in üblicher Weise erfolgenden lYasserglas*Schlnelzprozeß zugeführt. Die zur
Beheizung des Schmelzofens erforderliche Menge an schwerem Heizöl kann auf diese
Weise um 31 t reduziert werden.