DE3623325C2 - Verfahren zur Herstellung von Kohle- oder Koksbriketts - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Kohle- oder Koksbriketts

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel­ lung von Kohle- und Koksbriketts gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die herkömmlichen Bindemittel für Steinkohlenbriketts sind Pech und Bitumen. Weil Briketts mit diesen Binde­ mitteln nicht rauch- und rußfrei verbrennen und durch Erweichung des Bindemittels zu schnell zerfallen, so daß unverbrannte Kohle durch den Rost fällt, hat es nicht an Versuchen gefehlt, Steinkohlenbriketts durch die Wahl anderer Bindemittel zu verbessern.
Ein neues Brikett, das den Anforderungen des Haus­ brandmarktes aus einem Komfortbrennstoff genügt, muß eine gute Verlade-, Wetterstands- und Feuerstandsfestig­ keit besitzen, es soll rauch- und rußfrei verbrennen und die Verbrennungsabgaben müssen frei von Schadstoffen sein.
Verladefestigkeit bedeutet, daß die Briketts etwa 20 Minuten nach dem Verpressen schon so hohe Festigkeit besitzen, daß sie den mechanischen Beanspruchungen bei der Verladung in Waggons, Kübel, Lastkraftwagen u.ä. gewachsen sind, ohne zu Bruch zu gehen. Diese Festig­ keit in kaltem Zustand (Kaltfestigkeit) sollte mit größerem zeitlichem Abstand vom Verpressen zunehmen, keinesfalls aber wieder merklich absinken, um auch beim Handel und Verbraucher widerstandsfeste Briketts zu gewährleisten.
Die Wetterstandsfestigkeit sagt aus, ob und in welchem Maß die Brikettfestigkeit durch den Einfluß der Luft­ feuchtigkeit und der Niederschläge bei der Lagerung im Freien abnehmen kann. Wenn sie auch durch Trocknung beispielsweise infolge Sonneneinstrahlung wieder zu­ nimmt, so sollte sie jedoch eine Punktdruckfestigkeit nach DIN 23081 von 50 kg nicht unterschreiten.
Die Standfestigkeit der Briketts im Feuer ist letzt­ lich Ziel jeder Brikettierung. Da sich feinkörniges Material, wie gewaschene Anthrazitfeinkohle, Fein­ kohle jeder Art und ähnliche feinkörnige Brennstoffe in Hausbrandöfen nicht verbrennen lassen, werden sie durch die Verpressung mit einem Bindemittel stückig gemacht und somit einsatzfähig wie Nußkoh­ len. Es wäre unsinnig, wenn die Briketts schon am Beginn der Verbrennung auseinanderfallen und als unverbranntes Material durch den Rost in den Asche­ kasten gelangen würden.
Die rauch- und rußfreie Verbrennung sowie die Schad­ stofffreiheit in den Verbrennungsabgasen ist inzwi­ schen eine Forderung des Umweltschutzes geworden. Es werden Emissionswerte von Briketts erwartet, wel­ che die von Anthrazit-Nußkohlen und Brechkoksen nicht merklich übersteigen.
Zur Prüfung der eingangs beschriebenen Qualitäts­ merkmale der Briketts werden folgende Verfahrens­ weisen angewendet:
Die Kaltfestigkeit wird geprüft, indem jeweils 10 bis 50 Briketts wahllos aus der Produktion genommen werden. Jedes Brikett wird nach DIN 23081 zwischen zwei Stempeln von mindestens 15 mm Durchmesser mit einem Stempelvorschub von mindestens 8 mm/min bis zum Bruch belastet. Die Bruchlast in N wird als Kaltfestigkeit angegeben, wobei das Mittel aus den Einzelwerten gebildet wird.
Als Maß für die Wetterstandsfestigkeit wird die Standfestigkeit der Briketts in Wasser geprüft.
Unmittelbar nach der Verpressung und dann in gewis­ sen Zeitabständen werden 10 Briketts in ein Wasser­ bad gelegt. Nach einer Verweilzeit von 15 Minuten werden sie entnommen und sofort ihre Festigkeit nach dem Verfahren der Kaltfestigkeit geprüft. Als Zeit­ punkt der Wasserstandsfestigkeit gilt der Beginn des Wasserbadens.
Die Warmfestigkeit der Briketts wird untersucht, um ihre Standfestigkeit im Feuer zu bestimmen. Je­ weils 5 Briketts werden in einem auf 800°C erhitz­ ten Muffelofen eingesetzt und nach bestimmten Zeit­ abständen entnommen. Anschließend werden sie sofort nach dem Verfahren der Kaltfestigkeit auf der Prüf­ presse bis zum Bruch belastet.
Als Maß für diese Feuerstandsfestigkeit werden Ver­ brennungsversuche im Hausbrandofen nach den Prüfbe­ stimmungen der DIN 18 890 durchgeführt. Anhand des Rostdurchfalls werden die Ascheanteile bestimmt. Dabei wird auch die Ruß-Teer-Zahl als eine Kennzeich­ nung der Emission festgestellt.
Die Messung der Schadstoffe in den Abgasen erfolgt nach der von Ahland/Merten in VDI-Berichte Nr. 358/1980 beschriebenen Methode.
Schon seit Jahrzehnten sind zahlreiche organische und anorganische Bindemittel bekannt. Sie konnten sich aber wie z. B. Stärkekleister in der Praxis nicht einführen, weil die Briketts nicht mehr mit den üblichen Vor­ richtungen hergestellt werden konnten, sondern schwie­ rige Verfahrenstechniken erforderten, wodurch die Herstellungskosten der Briketts zu hoch wurden. In vielen Fällen erwiesen sich auch die Brikettqualitä­ ten als unzureichend.
Aus der DE-OS 33 35 240 ist es bekannt, daß bestimmte Polyvinylalkoholtypen die Herstellung von Kohle- oder Koksbriketts, insbesondere Steinkohlenbriketts ermöglichen, die die eingangs genannten Bedingungen im wesentlichen erfüllen. Der Zusatz von Melasse verbessert nachhaltig die Standfestigkeit der Bri­ ketts im Feuer, hat allerdings den Nachteil einer Schimmelpilzbildung der Briketts bei Lagerung unter extremen Bedingungen.
Es wurde daher nach Wegen gesucht, dieses Problem auf an­ dere Weise als mit Konservierungsmitteln zu lösen, um aus an sich nicht backenden feinkörnigen Brennstoffen wie An­ thrazit- oder Magerkohle, Feinkoks, Hartbraunkohle und Holzkohle Briketts herzustellen, die den eingangs ge­ schilderten Anforderungen an die Festigkeit und die Emissionswerte genügen.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gelöst, bei dem man die genannten, auf eine Temperatur über 70°C erhitz­ ten feinkörnigen Brennstoffe mit einer wäßrigen heißen Lösung eines vollverseiften Polyvinylalkohols einer Vis­ kosität von 40-100 mPas bedüst, das Gemisch gegebenen­ falls unter weiterer Wärmezufuhr homogenisiert und unter guter Entwrasung zu Briketts verpreßt, wobei man dem feinkörnigen Brennstoff 5 bis 15% pulverförmige backende Kohle zusetzt, dem Gemisch vor dem Homogenisieren 0,3 bis 2% Stärke zusetzt und der Zusatz an Polyvinylalkohol 0,2 bis 0,8% beträgt.
Alle Prozentangaben in dieser Patentanmeldung sind Ge­ wichtsprozent, sofern nicht etwas anderes gesagt ist.
Als Stärketypen eignen sich die nativen, vor allem aber auch die vollverkleisterten Stärken.
Die Stärke kann pulverförmig der Kohle zugemischt werden und das geschieht dann zweckmäßig vor Zugabe der Lösung des vollverseiften Polyvinylalkohols. Vorzugsweise wird die Stärke aber als wäßrige Lö­ sung oder wäßrige Suspension vor der Homogenisierung zugesetzt.
Bei der Herstellung von Briketts aus anthrazitischer Kohle mit einer wäßrigen Bindemittellösung, die allein den speziell ausgewählten vollverseiften Polyvinylalkohol jedoch keine Stärke enthielt, wur­ den bereits Briketts mit einer recht guten Verlade­ festigkeit und sehr guter Endfestigkeit erzielt. Die Standfestigkeit in Wasser war unmittelbar nach der Herstellung ausreichend, verbesserte sich aber nach 24 Stunden merklich. Die Warmfestigkeit, d. h. Standfestigkeit der Briketts im Feuer, läßt zwar noch die Verwendung für Hausbrandöfen zu, ohne daß während der Verbrennung zuviel unverbrannte Kohle durch den Rost in den Aschekasten fällt, erscheint aber insbesondere für den Einsatz in Heizungskes­ seln verbesserungsbedürftig, damit diese rauchlosen Briketts mit sehr niedrigem Emissionswert auch dort eingesetzt werden können.
Ungeachtet der schlechten Erfahrungen, die in der Ver­ gangenheit mit Stärke als Bindemittel gemacht wurden, hat sich gezeigt, daß bereits durch Kombination des speziellen Polyvinylalkohols mit Stärke bei Erhaltung der erwähnten gu­ ten Briketteigenschaften eine sehr deutliche Ver­ besserung der Warmfestigkeit erzielt wird. Damit lassen sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, das sich gut in die übliche Brikettfabrikation ein­ fügt, raucharme Steinkohlenbriketts herstellen, die die eingangs genannten Bedingungen eines Kom­ fort-Brennstoffs voll erfüllen.
Der Anteil der Stärke kann aber auf 0,3 bis 2%, vorzugs­ weise 0,5 bis 1% und der des Polyvinylalkohols auf 0,2 bis 0,8% vermindert werden, wenn dem feinkör­ nigen Brennstoff vor der Behandlung mit den Binde­ mitteln 5 bis 15%, vorzugsweise 7 bis 13% einer pulverförmigen backenden Kohle zugesetzt wird. Deren Körnung ist zweckmäßig so beschaffen, daß 80% unter 500 µm liegen. Insbesondere hat die Kohle einen Aufmahlungsgrad von d₉₀ unter 250 µm. Der Gehalt der backenden Kohle an flüchtigen Bestand­ teilen (waf) sollte zweckmäßig bei 22 bis 29% lie­ gen, wenn auch das Backen der Steinkohle oberhalb 15% an flüchtigen Bestandteilen (waf) beginnt.
Die erforderliche Körnung kann durch Feinzerklei­ nerung oder durch Feinabsiebung hergestellt wer­ den. Es ist auch möglich, spezielle Aufbereitungs­ produkte wie z. B. Flotationskonzentrat oder Staub aus Filtern bzw. Sichtung ohne weitere Behandlung einzusetzen.
Die pulverförmige backende Kohle sollte in der Bri­ kettierkohle möglichst gleichmäßig verteilt werden, was insbesondere dadurch geschieht, daß die feinkör­ nigen Brennstoffe vor Zugabe der Bindemittellösung trocken vermischt werden.
Wenn aus Gründen des Umweltschutzes und wegen gesetz­ licher Auflagen eine Schwefeleinbindung erforderlich ist, kann dem Gemisch der Brennstoffe vor dem Homoge­ nisieren noch bis zu 5% Calciumoxid, -hydroxid oder -carbonat zugesetzt werden.
Beispiel 1 (Vergleich)
Gewaschene Anthrazitkohle, die mit 100°C anfiel, wurde mit der in Tabelle 1 angegebenen Menge pulverförmiger nativer Stärke versetzt und 3 Minuten lang trocken vermischt.
Bei Zusatz der angegebenen Menge an vorverkleisterter Stärke wurde diese in 13%iger Lösung dem Brikettiergut zugemischt.
Unabhängig davon wurden 1,2 kg eines vollverseiften Polyvinylalkohols mit einem Hydrolysegrad von 98,4 Mol-% und einer Viskosität von 56 mPas (Handelsprodukt Mowiol 56-98) in 8,8 l Wasser von 95°C aufgelöst. Diese wäßrige Bindemittellösung wurde dann in einer Menge von 8,35 l/100 kg Kohle bei einer Temperatur von 90°C auf die gewaschene Anthrazitkohle aufgedüst, der die Stärke bereits trocken oder als Lösung zugegeben war.
Zwischen der Dosierung und dem Verpressen auf üblichen Brikettpressen liegen etwa 10 Minuten, in denen das Brikettiergut in einem Mischaggregat homogenisiert wird und gleichzeitig für ein leichtes Entweichen des Wassers gesorgt wird. Die Briketts werden dann in üblichen Doppelwalzenpressen zu Eierbriketts verarbei­ tet. Die verschiedenen Qualitätsanalysen wurden dann wie oben beschrieben durchgeführt. Die Versuchsergeb­ nisse sind in der Tabelle 1 aufgeführt.
Die Verladefestigkeit, 20 Minuten nach dem Verpressen, lag mit 370 bis 620 N deutlich über dem zu fordernden Mindestwert von 300 N.
Die Endfestigkeit war mit mehr als 1300 N ausgezeichnet. Der Emissionswert bei Verbrennung der Briketts unter­ schritt mit einer Ruß-Teer-Zahl von weniger als 50 deutlich die Obergrenze von raucharmen Brennstoffen von 200. Die Wetterfestigkeit lag mit 530-910 N (24 h nach Verpressen) bei recht guten Werten.
Es ist aus der Zahlentafel ersichtlich, daß die Warm­ festigkeit durch den Stärkezusatz wesentlich verbes­ sert wird, selbst bei Verminderung des PVA-Zusatzes auf 0,50 Gew.%.
Ferner ist an der Verladefestigkeit erkennbar, daß es offensichtlich ein optimales Verhältnis zur Mowiol­ menge gibt, das zu einer Verbesserung der Verlade­ festigkeit führt: Die Kombination Mowiol/Stärke führt zu einem neuen Bindemittel, das ein schnelles Abbinden gewährleistet, was bei den getrennt eingesetzten Komponenten nicht geschieht.
Beispiel 2
In einer weiteren Versuchsreihe wurde zusätzlich eine backende Kohle, nämlich Fettkohle beigemischt. Die Fettkohle wurde nach entsprechender Aufbereitung in der vorgesehenen Feinkörnigkeit von d₉₀ unter 250 µm in einer Menge von 10% vor Aufgabe der Bindemittel der Brikettkohle zugemischt. Die Ergebnisse der Ver­ suche sind in der Tabelle 2 aufgeführt.
Tabelle 2
Die Verladefestigkeiten, 20 Minuten nach dem Verpres­ sen, lagen deutlich über dem zu fordernden Mindest­ wert von 300 N.
Die Endfestigkeiten waren mit weniger als 950 N ausgezeichnet. Der Emissionswert bei Verbrennung der Briketts unterschritt mit einer Ruß-Teer-Zahl von max. 60 deutlich die Obergrenze von raucharmen Brennstoffen von 200.
Es ist aus der Zahlentafel ersichtlich, daß die Warm­ festigkeit durch den Zusatz von backender Kohle wesentlich verbessert wurde.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung von Kohle- oder Koksbriketts, bei dem man den auf eine Temperatur von über 70°C er­ hitzten feinkörnigen Brennstoff mit einer wäßrigen heißen Lösung eines vollverseiften Polyvinylalkohols einer Viskosität von 40 bis 100 mPas bedüst, das Ge­ misch aus Brennstoff und Bindemittellösung ggf. unter weiterer Wärmezufuhr homogenisiert und unter guter Ent­ wrasung zu Briketts verpreßt, dadurch gekennzeichnet, daß man dem feinkörnigen Brennstoff 5 bis 15% pulver­ förmige backende Kohle zusetzt, dem Gemisch vor dem Ho­ mogenisieren 0,3 bis 2% Stärke zusetzt und der Zusatz an Polyvinylalkohol 0,2 bis 0,8% beträgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke als wäßrige Lösung oder wäßrige Suspension zugesetzt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Polyvinylalkohol in einer Menge von 0,2 bis 1,5%, bezogen auf die Trockensubstanz der Brennstoffe, zugesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß man dem feinkörnigen Brennstoff vor der Behandlung mit den Bindemitteln 7 bis 13% einer pulverförmigen backenden Kohle zusetzt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß 80% der pulverförmigen backenden Kohle in einer Kör­ nung unter 500 µm vorliegen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die pulverförmige backende Kohle einen Aufmahlungsgrad von d₉₀ unter 250 µm hat.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die backende Kohle einen Anteil an flüchtigen Bestandteilen (waf) von 22 bis 29% hat.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß man den feinkörnigen Brennstoff, die pulverförmige backende Kohle und ggf. die trockene Stärke vor Zugabe der Polyvinylalkohollösung trocken vermischt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Stärkezusatz 0,5 bis 1% beträgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß man dem Gemisch vor dem Homogenisie­ ren bis zu 5% Calciumoxid, -hydroxid, oder -carbonat zusetzt.
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