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Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung der Verarbeit-
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barkeit von Verunreinigungen enthaltenden mineralischen Rohstoffen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit
von Verunreinigungen enthaltenden mineralischen Rohstoffen, die zu keramischen Formkörpern
weiterverarbeitbar sind, indem der mineralische Rohstoff bzw. die Mischung aus mehreren
mineralischen Rohstoffen zerkleinert wird. Die Erfindung zeigt gleichzeitig eine
Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Die bisher bekannten Verfahren zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit
von mineralischen Rohstoffen, die dann zu keramischen Formkörpern, beispielsweise
Dachziegeln, Fliesen und dergleichen, weiterverarbeitet werden, beschränken sich
im wesentlichen auf die Zerkleinerung der Rohstoffe durch einen Mahlvorgang. Oft
wird auch der Feuchtigkeitsgehalt des mineralischen Rohstoffes noch eingestellt
oder erhöht.
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Auch eine gewisse Homogenisierungsbehandlung durch Mischen, Kneten
usw. ist bekannt. Zuweilen werden auch mineralische Rohstoffe durch ein Schlemmverfahren
bearbeitet, wodurch die Verarbeitbarkeit verbessert wird.
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Der bei weitem größte Teil der in der Keramik und besonders in der
Grobkeramik eingesetzen mineralischen Rohstoffe, wie Lehme, Tone, Tonschiefer usw.
, enthalten organische Verunreinigungen in Form von Schwefel-, Fluor-, Kohlenwasserstoff-und
Kohlenstoffverbindungen. Diese Verunreinigungen erschweren die Fabrikation von keramischen
Produkten erheblich; Auch mindern sie die Qualität des Fertigproduktes. So kann
beispielsweise die Festigkeit durch solche Verunreinigungen herabgesetzt sein. Auch
beeinflussen die Verunreinigungen
oft das Aussehen der keramischen
Produkte. Ausblühfähige Salze können sich nachteilig bemerkbar machen. Die Verunreinigungen
einschließlich des chemisch gebundenen Wassers können bis zu 10 oder auch 12 % des
mineralischen Rohstoffes betragen. Bisher werden diese Verunreinigungen beim keramischen
Brand der geformten Produkte bei Temperaturen über 8000 C und Haltezeiten von 2
bis 8 Stunden ausgetrieben, bevor der Sintervorgang des mineralischen Rohstoffes
beginnt, d. h. die Porosität so vermindert wird, daß der erforderliche Stoffaustausch
im Innern des Formkörpers nicht mehr stattfinden kann. Diese Reaktionen, wie Austreiben
des restlichen, physikalisch gebundenen und des chemisch gebundenen Wassers, auf
Oxidieren der Schwefel-und Kohlenstoffverbindungen, laufen unter typischen positiven
oder negativen Wärmetönungen ab, wobei Sauerstoff in das vorhandene sehr enge Porengefüge
bis zur Mitte des Formkörpers eindiffundieren muß, während gleichzeitig die Reaktionsgase
als Wasserdampf, Schwefeldioxid,Schwefeltrioxid, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid
durch die Poren entweichen müssen. Es ist klar, daß diese gegenläufigen Reaktionen
des Stoffaustausches sich gegenseitig behindern und auch den Wärmeaustausch positiv
oder negativ beeinflussen können. Durch die unterschiedlichen Temperaturen über
den Querschnitt des Formkörpers von außen nach innen überlagern sich die einzelnen
Reaktionen, verzögern einander und rerschieben sich zu insgesamt höheren Temperaturen.
Die exothermen und endothermen Reaktionen erzeugen zusätzliche Spannungen durch
unterschiedliche Wärmedehnung in dem Formkörper. Es ist daher erforderlich, bei
keramischem Brand die Steigerung der Temperatur in den gefährdeten Temperaturbereichen
sehr genau und langsam durch zum führen, so daß lange Brennzeiten resultieren und
aufwendige Ofenanlagen benutzt werden müssen.
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Um den beschriebenen Schwierigkeiten entgegenzuwirken, hat man versucht,
die Brennzeiten zu verlängern, um die einzelnen Temperaturbereiche langsamer zu
durchlaufen.
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Damit erhöht sich in nachteiliger Weise der Aufwand für die Herstellung
der keramischen Produkte, ganz abgesehen davon, daß solche Maßnahmen nur bedingt
eine Verbesserung erbringen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verarbeitbarkeit der
Verunreinigungen enthaltenden mineralischen Rohstoffe zu keramischen Formkörpern
so zu verbessern, daß höherwertigere keramische Produkte einfacher herstellbar sind.Die
Erfindung zielt damit auf die Verbesserung der Eigenschaften der keramischen Produkte
ab, auch wenn bei deren Herstellung mineralische Rohstoffe eingesetzt wurden, die
Verunreinigungen enthalten. Weiterhin ist wichtig, daß der Brennvorgang begünstigt,
beispielsweise zeitlich abgekürzt, und vereinfacht werden kann.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die in den mineralischen
Rohstoffen enthaltenen Verunreinigungen vor der Weiterverarbeitung zu keramischen
Formkörpern durch eine Vorbehandlung der mineralischen Rohstoffe aus diesen entfernt
werden. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß üblicherweise der Trocknungs-
und Brennvorgang der keramischen Formkörper dadurch gestört, belastet, verlängert
und verkompliziert wird, daß zu diesem Zeitpunkt, also während des Trocknens und
Brennens, die Verunreinigungen ausgetrieben werden. Dadurch , daß die Verunreinigungen
in einem separaten Vorbehandlungsschritt aus den mineralischen Rohstoffen herausgeholt
werden, können die dafür günstigsten Bedingungen eingestellt werden und stören sich
damit mit den Bedingungen beim nachfolgenden Brennvorgang nicht. Im Gegenteil, der
Brennvorgang selbst kann in kürzerer Zeit durchgeführt werden.
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In dem Vorbehandlungsschritt können auch die einzelnen Temperaturbereiche,
wie sie für die jeweilige Verunreinigung am günstigsten ist, eingehalten werden.
Die ausgetriebenen Verunreinigungen und Schadstoffe, die gasförmig vorliegen, weisen
eine niedrigere Temperatur auf als beim Brennvorgang und lassen sich dadurch ihrerseits
wieder besser und einfacher behandeln, beispielsweise abschalten.
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Der so vorbehandelte mineralische Rohstoff läßt sich entweder allein
oder nach Mischung mit unbehandelten Rohstoffen weiterverarbeiten. Die Verformungseigenschaft
der zur Bildung der keramischen Formkörper eingesetzen mineralischen Rohstoffe im
Strang-Preß- und auch im Trockenpreßverfahren werden erheblich günstiger, da durch
die Vorbehandlung das Kristallwasser ausgetrieben ist und die meist plättchenförmige
Struktur der Tonminerale zerstört wurde. Beim Verformen kommt es nicht zur Bildung
schichtförmiger Texturen. Die größten Vorteile des Verfahrens zeigen sich beim keramischen
Brand der Formkörper. Da die Reaktionen der Verunreinigungen in den mineralischen
Rohstoffen im Temperaturbereich unter 1000o C nicht mehr stattfinden, bzw. so weit
unterdrückt sind, daß die Feuerführung nur noch auf den Wärmeübergang und später
auf den Sintervorgang abgestellt zu werden braucht, vereinfacht Fich die Technologie
des keramischen Brandes erheblich. Die Obenzeiten werden nach bisherigen Versuchen
bis auf ca. 10 % der bisher üblichen gekürzt. So wurde ein Rohmaterial, welches
bisher eine Brenn-zeit von ca. 24 Stunden hatte, In 2,5 Stunden gebrannt.
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Die beim keramischen Brand entstehenden Emissionen von Schwefeldioxid
und Schwefeltrioxid sowie Flour werden technisch leichter und damit wirtschaftlicher
beherrschbar.
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Wider behandelte Rohstoff zu 50 % der im unbehandelten Rohstoff zugemischt,
so werden auch die Emissionswerte in der eigentlichen Ofenanlage um die Hälfte vermindert
und
liegen damit in der Mehrzahl der Fälle bereits unter den gesetzlich
festgelegten Grenzwerten.
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Die mineralischen Rohstoffe werden einer Vorbehandlung unter Temperatureinfluß
in einem Bereich unter 600 OC unterworfen, so daß bei dem Vorbehandlungsschritt
noch kein Sintervorgang eintritt, weil ja erst nachfolgend die Formgebung der Formlänge
erfolgen muß.
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Die mineralischen Rohstoffe werden in einzelnen Schritten auf einzelne
Temperaturstufen erwärmt, wobei getrennt voneinander die einzelnen Verunreinigungen
aus den mineralischen Rohstoffen entfernt werden. damit werden die einzelnen Verunreinigungen
im ausgetriebenen, gasförmigen Zustand, getrennt voneinander abgeführt und getrennt
behandelt. Die jeweils zu behandelnde Gasmenge beträgt nur einen Bruchteil der Gasmenge,
die bisher beim keramischen Brand behandelt, beispielsweise gefiltert werden mußte.
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Andererseits werden einzelne Abscheideaggregate erheblich entlastet
. So ist es beispielsweise nicht erforderlich, den abgeschiednen Wasserdampf durch
die Abscheideanlage für Schwefel hindurchzuführen. Im einzelnen wird aus den mineralischen
Rohstoffen in einem Temperaturbereich bis etwa 200 OC zunächst das Wasser als Wasserdampf
getrennt entfernt. In einem Temperaturbereich zwischen etwa 200 und 450 ° C wird
der Schwefel gasförmig aus den mineralischen Rohstoffen herausgeholt. Schließlich
werden in einem Temperaturbereich zwischen 450 und 600 ° C der Kohlenstoff bzw.
die Kohlenstoffverbindungen aufoxidiert.
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Da die vorzubehandelnden Rohstoffe in zerkleinerter Form vorliegen
und der Vorbehandlung unterworfen werden, ergibt sich die Möglichkeit, diese Rohstoffe
während der Vorbehandlung zu bewegen, wobei die ohnehin sehr kurzen Diffusionswege
für
die Verunreinigung nochmals verkleinert werden. Die mineralischen Rohstoffe können
während der thermischen Behandlung taktweise - insbesondere i»tulsierenden Wirbelbett
- bewegt bzw. gefördert werden.
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Dabei findet gleichzeitig eine Durchmischung statt, wenn verschiedene
mineralische Rohstoffe aufgegeben werden, so daß gesonderte Mischanlagen in diesem
Falle entfallen könnten. Insbesondere im pulsierenden Wirbelbett werden die mineralischen
Rohstoffe von Heißgasen gleichmäßig durchströmt, wobei die Rohstoffe in einer ca.
1 bis 10 cm starken Materialschicht fluidisiert, laufend umgeschichtet und so schnell
und gleichmäßig erhitzt werden. Durch das Pulsieren mit hoher Frequenz ergeben sich
durch Verwirbelung zwischen Heißgas und Rohstoff sehr hohe Wärmeübergangswerte,
so daß sich sehr kurze Reaktionszeiten für die Oxidation bei relativ niedrigen Temperaturen
ergeben. Der gesamte Behandlungszeitraum der mineralischen Rohstoffe liegt je nach
Aufbereitungsgrad in einer Größenordnung von etwa 5 - 10 min. Die während der Vorbehandlung
eingesetzte Heißgasmenge kann nach dem stöchiometrischen Bedarf z. B. an Sauerstoff
eingestellt werden, während bein bisherigen Schrühen oder Brennen der keramischen
Massen mit sehr hohem Luftüberschuß gearbeitet werden mußte, was zwangsläufig hohe
Abgasverluste und höheren Energieverbrauch verursacht. Außerdem können durch das
Fluidisieren und die daraus resultierende Gleichmäßgkeit der Temperaturen im mineralischen
Rohstoff die einzelnen Temperaturbereiche genau eingehalten werden, so daß sich
z. B. die Temperaturen für das Austreiben des physikalisch und chemisch gebundenen
Wassers und das Aufoxidieren der Schwefelverbindungen nicht überschneiden, so daß
die Bildung von schwefliger Säure weitgehend unterbunden wird.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens arbeitet mit einer
Mahlanlage zum Zerkleinern der oder des mineralischen Rohstoffe und kennzeichnet
sich erfindungsgemäß dadurch, daß eine Apparatur zur thermischen Behandlung der
zu zerkleinernden mineralischen Rohstoffe vorgesehen ist, die eine teilweise luftdurchlässige
und geneigt angeordnete Förderrinne aufweist. Es eine Luftfördereinrichtung vorgesehen
und die Apparatur weist mehrere Abschnitte zum Aufbringen unterschiedlich aufgeheizter
Luft und zum Abzug unterschiedlicher Verunreinigungen auf. Damit wird ein gezieltes
sektionsweises Arbeiten möglich und die abzuscheidenden bzw. zu neutralisierenden
Gasmengen betragen nur einen Bruchteil der Gesamtgasmenge.
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Als Luftfördereinrichtung können ein oder mehrere kontinuierlich betriebene
Ventilatoren vorgesehen sein, wobei diesen in den einzelnen Abschnitten im Pulsgeber
nachgeschaltet sind. Die Förderrinne besteht aus einem feinmaschigen, aber schwingungssteifen
geneigten Siebboden in Flachrinnenform mit öffnungen, die zwischen 5 und 50 ß liegen
können. Durch diese Öffnungen hindurch wird der zu behandelnde mineralische Rohstoff
von unten mit temperierter Luft oder Gas pulsierend angeblasen. Durch dieses pulsierende
Anblasen wird die Rohstoff schicht intermetierend fluidisiert, umgeschichtet und
transportiert.
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Durch die Pausen beim pulsierenden Anblasen setzt und beruhigt sich
der Rohstoff immer wieder, so daß es zu keiner pneumatischen Austragung des Feinkorns
durch den Abgasstrom kommt. Durch die Einstellung von Frequenz und Amplitude des
einwirkenden Gasstroms und der Neigung der Förderrinne wird die Durchlaufzeit und
damit die Reaktionszeit zwischen Gas und Rohstoff festgelegt.
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Es kann eine Rückführleitung für die über die mineralischen Rohstoffe
geleiteten Trocknungsgase vorgesehen sein, so daß die eingesetzte Wärmemenge besser
ausgenutzt werden kann. Am Anfang der Förderrinne ist eine Dosiereinrichtung für
die aufzugebenden mineralischen Rohstoffe vorgesehen, so daß in der Förderrinne
eine gleichmäßige Materialschicht erzeugbar ist. Für die bessere Wärmeausnutzung
der rückgeführten Trocknungsgase kann ein Wärmetauscher vorgesehen sein, sofern
sich ein Teil der Trocknungsgase nicht unmittelbar rückführen läßt.
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Die Erfindung wird anhand der Vorrichtung weiter verdeutlicht, die
schematisch in der Zeichnung dargestellt ist: Die Vorrichtung weist ein Gehäuse
1 auf, in welchem hier z. B. drei Abschnitte 2, 3, 4 gebildet sind. Das Gehäuse
1 wird von einer geneigt angeordneten Förderrinne 5 durchsetzt, die im wesentlichen
aus einem ortsfest angeordneten Blech besteht, welches Öffnungen im -Bereich, beispielsweise
in der Größenordnung von 5 - 50 ß aufweist. Am Anfang der Förderrinne ist eine Dosiereinrichtung
6 für die Aufgabe der zu behandelnden mineralischen Rohstoffe gemäß Pfeil 7 vorqesehen.
Am Ende der Förderrinne 5 ist ein Materialauslauf 8 gebildet, in dem Pendelklappen
9 angeordnet sein können.
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Ein kontinuierlich betriebener Ventilator 10 saugt Frischluft über
eine Leitung 11 und einen Wärmetauscher 12 an und führt diese einer Brennkammer
13 oder einer anderen Aufheizeinrichtung zu. Die Brennkammer bzw. die Aufheizeinrichtung
kann so ausgebildet bzw. bereits in Sektionen unterteilt sein, daß Abgase in unterschiedlichen
Temperaturbereichen entstehen. Das Gehäuse 1 ist in diesem Bereich bereits in die
drei Abschnitte 2, 3 und 4 unterteilt,
so daß die aufgeheizten
Trochungsgase separat geführt werden. In den drei Abschnitten 2, 3 und 4 sind der
Brennkammer 13 nachgeschaltet im Pulsgeber 14 vorgesehen, die aus drehend angetriebenen
Klappen in den einzelnen Abschnitten bestehen können, so daß die Trocknungsgase
pulsierend gefördert werden. Diese Trocknungsgase werden von unten in den einzelnen
Abschnitten 2, 3 und 4 durch die Förderrinne 5 bzw. durch die Öffnungen in der Förderrinne
5 hindurchgepreßt, wobei sie den zerkleinerten mineralischen Rohstoff auf der Förderrinne
5 begrenzt anheben und wieder fallenlassen, so daß eine Art Wirbelbett entsteht.
Der mineralische Rohstoff wird also hier laufend umgeschichtet, wieder neu angeströmt,
entsprechend schnell erwärmt und schrittweise bzw. impulsweise weiter gefördert.
Die Trocknungsgase werden gemäß den Pfeilen 15 von unten zugeführt, wobei sie in
dem Abschnitt 2 eine Temperatur von etwa 200 ° C, in dem Abschnitt 3 eine Temperatur
von etwa 450 ° C und in dem Abschnitt 4 eine Temperatur von bis zu 600 ° C aufweisen
können. Die einzelnen Abschnitte 2, 3, 4 sind durch Trennwände 16 und 17 gasseitig
so abgeschottet, daß die mineralischen Rohstoffe auf der Förderrinne 5 durch die
gesamte Vorrichtung hindurchwandern können. Durch diese Temperaturbehandlung der
mineralischen Rohstoffe werden die Verunreinigungen ausgetrieben. Der Abschnitt
2 dient zur Abfuhr des physikalisch und chemisch gebundenen Wassers in dem mineralischen
Rohstoff. Über eine Auslaßleitung 18 wird Wasserdampf abgeführt. Der Abschnitt 3
dient dazu, Flour und Schwefel aus den mineralischen Rohstoffen auszutreiben und
gasförmig abzuführen. Schwefeldioxid und Schwefeltrioxid werden über die Auslaßleitung
19 abgeführt und in der Regel bzw. zum größten Teil einer Neutralisierungsanlage
oder einer anderen Abscheideanlage zugeleitet.
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Der Abschnitt 4 dient zur Aufoxidierung der Kohlenstoff-bzw. Kohlenwasserstoffverbindungen,
die über die Auslaßleitung 20 abgeführt werden. Eine Rückführleitung 21 verbindet
die drei Auslaßleitungen 18.19 und 20. In diesen Leitungen 18, 19, 20 und 21 sind
Regelorgane vorgesehen, um die mengemäßige Aufteilung zu steuern. Die in der Rückführleitung
21 rückgeführten Trocknungsgase, die einen erheblichen Wärmeinhalt aufweisen, werden
dem Wärmetauscher 12 zugeführt und gelangen über einen Filter 22 in einen Kamin.
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B e z u g s z e i c h e n l i s t e : 1 = Gehäuse 2 = Abschnitt 3
= Abschnitt 4 = Abschnitt 5 = Förderrinne 6 = Dosiereinrichtung 7 = Pfeil 8 = Materialauslauf
9 = Pendelklappe 10 = Ventilator 11 = Leitung 12 = Wärmetauscher 13 = Brennkammer
14 = Impulsgeber 15 = Pfeil 16 = Trennwand 17 = Trennwand 18 = Auslaßleitung 19
= Auslaßleitung 20 = Auslaßleitung 21 = Rückführleitung 22 = Filter