DE3637981A1 - Process and apparatus for producing highly porous shaped parts - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Herstellung hochporöser Formlinge, die aus feinkörnigen Materialien gegebenenfalls unter Zusatz von Bindemitteln geformt und anschließend verfestigt werden und auf eine Vorrichtung zur Herstellung von hochporösen Formlingen, enthaltend eine Formgebungsvorrichtung und ein Verfestigungsaggregat, die zum schonenden Transport der vorgeformten Formlinge über eine Transportstrecke in Verbindung stellen.The invention relates to a method for Production of highly porous moldings made from fine-grained Materials if necessary with the addition of binders molded and then solidified and on a Device for the production of highly porous moldings, containing a shaping device and a Consolidation unit for the gentle transport of the preformed moldings over a transport route in Connect.
Hochporöse Formlinge werden in weiten Bereichen der Technik benötigt, wie z.B. Eisenerz-Pellets in der Stahlindustrie oder Aktiv-Filtermaterial in der Gasreinigungstechnik. Unter Porosität eines Formlings oder Agglomerates versteht man den Anteil des nicht materialgefüllten Raumes am Gesamtvolumen des Probekörpers. Man unterscheidet zwischen Grob- und Feinporen (Makro-, Mikroporen), wobei die Zuordnung der Poren zu der einen oder anderen Kategorie nach ihrer Größe (größer oder kleiner als 0,1 mm) und bei Agglomeraten auch noch nach ihrer Zugänglichkeit von der Kornoberfläche (offene Poren, geschlossene Poren) aus bestimmt wird. Eisenerz-Pellets sollen eine hohe Mikroporosität aufweisen, was sich sehr vorteilhaft auf ihre Reduzierbarkeit und damit auch auf den Koksverbrauch im Reduktionsaggregat auswirkt. Highly porous moldings are used in many areas Technology needed, such as Iron ore pellets in the Steel industry or active filter material in the Gas cleaning technology. Under porosity of a molding or agglomerates one does not understand the proportion of the material-filled space on the total volume of the Specimen. One differentiates between rough and Fine pores (macro, micro pores), the assignment of Pores in one category or another according to their Size (larger or smaller than 0.1 mm) and at Agglomerates also according to their accessibility from the Grain surface (open pores, closed pores) is determined. Iron ore pellets are said to be high Have microporosity, which is very beneficial their reducibility and thus also on the coke consumption in the reduction unit.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung anzugeben, mit denen sich hochporöse Formlinge erzeugen lassen, deren Gesamtporosität größer als 30% ist, wovon mehr als 30% Mikroporen mit einem Porenradius kleiner 100 Mikrometer sind. Verfahrensmäßig wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Formlinge vor der Verfestigungsbehandlung einer Mikrowellenbestrahlung ausgesetzt werden. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß auf der Transportstrecke von der Formgebungsvorrichtung zum Verfestigungsaggregat ein Mikrowellenstrahler angeordnet ist.It is an object of the invention, a method and a Specify device with which are highly porous Allow moldings to be produced whose overall porosity is greater than 30%, of which more than 30% are micropores with one Pore radius are less than 100 microns. Procedural the task is solved in that the preforms solidification treatment of microwave radiation get abandoned. A device according to the invention is characterized in that on the transport route from the shaping device to the hardening unit a microwave radiator is arranged.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß durch die Mikrowellenbestrahlung die Wassermoleküle derart angeregt werden, daß die Formlinge von "innen" erwärmt werden, wodurch die Wassermoleküle einen Wechsel des Aggregatzustandes von flüssig zu gasförmig durchmachen und durch die Volumenvergrößerung (1 mol H2O gibt 22,4 l Dampf) von innen nach außen aus dem Formling heraustreten und dabei Kanälchen bzw. Mikroporen schaffen, die vorzugsweise zu der erwünschten Kategorie der offenen Poren zählen.The invention is based on the finding that the water molecules are excited by the microwave radiation in such a way that the moldings are heated from "inside", as a result of which the water molecules undergo a change in the physical state from liquid to gaseous and due to the volume increase (1 mol H 2 O) 22.4 l of steam) emerge from the inside out of the molding and thereby create channels or micropores, which preferably belong to the desired category of open pores.
Hierbei ist in Abhängigkeit von den physikalischen und chemischen Eigenschaften der Formlinge zu berücksichtigen, daß keine zu intensive bzw. zu andauernde Mikrowellenbestrahlung vorgenommen wird, da dies zu Dekrepitationsverhalten und Festigkeitsverlusten der Formlinge führen könnte. Aus diesem Grunde ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Mikrowellenbestrahlung stoßweise bzw. intermittierend mit Zwischenpausen ohne Mikrowellenbestrahlung erfolgt. Dadurch wird eine Überhitzung der Formlinge und eine Festigkeitsverminderung verhindert. Die einzusetzende elektrische Energie pro Zeiteinheit wird dadurch ebenfalls vorteilhaft niedrig gehalten. Here, depending on the physical and chemical properties of the moldings take into account that none too intense or too continuous microwave radiation is carried out because this leads to decrepitation behavior and loss of strength the moldings could lead. This is why according to the invention provided that the Intermittent or intermittent microwave radiation There are pauses without microwave radiation. This will result in overheating of the moldings and one Reduction in strength prevented. The one to be used electrical energy per unit of time is thereby also advantageously kept low.
Formlinge gemäß der Erfindung sind beispielsweise Pellets, Filterpellets, Briketts, Granulate, Schülpen, Tabletten oder ähnliche Agglomerate. Sie können aus den unterschiedlichsten feinkörnigen Materialien bestehen wie z. B. Metallerze, Kohle, Kalk, Kalkstein, Graphit, Ton, Tonerde, Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Keramikwerkstoffen, Porzellanrohstoffen sowie aus Gemischen dieser Materialien. Bei der Formgebung solcher Materialien zu Formlingen sind im allgemeinen (flüssige oder pastöse) Bindemittel erforderlich; neben Wasser werden dazu vor allem Melasse, Kunstharz, quellender Ton (Blähton), Sulfidablauge, Pech, Schwefel, Wasserglas gegebenenfalls mit Säurezusätzen, wasserhaltige Aluminiumsilikate, alkalischer Montmorillonit (Bentonite) u. a. eingesetzt. Die Verfestigung der Formlinge erfolgt meist thermisch, z. B. durch einen Brennprozeß bei Temperaturen bis 1100°C und/oder durch eine chemische Behandlung, die nicht unbedingt mit einer Erwärmung verbunden sein muß.Moldings according to the invention are for example Pellets, filter pellets, briquettes, granules, flakes, Tablets or similar agglomerates. You can choose from the different fine-grained materials exist like e.g. B. metal ores, coal, lime, limestone, graphite, clay, Alumina, silicon oxide, aluminum oxide, ceramic materials, Porcelain raw materials and mixtures of these Materials. When shaping such materials too Moldings are generally (liquid or pasty) Binder required; in addition to water all molasses, synthetic resin, swelling clay (expanded clay), Sulphide waste liquor, pitch, sulfur, water glass if necessary with acid additives, water-containing aluminum silicates, alkaline montmorillonite (bentonite) u. a. used. The moldings are usually solidified thermally, e.g. B. by a firing process at temperatures up 1100 ° C and / or by chemical treatment that does not necessarily have to be associated with heating.
Gemäß der Erfindung haben nach dem Verfahren bzw. mit der Vorrichtung erzeugte Formlinge einen hohen Anteil von Mikroporen mit einem Porenradius unter 100 Mikrometer, die größtenteils nach der Oberfläche geöffnet sind (nach außen offen). Ganz besonders bevorzugt sind Formlinge mit einem Mikroporenanteil von über 30% an der Gesamtporosität.According to the invention have by the method or Device produced moldings a high proportion of Micropores with a pore radius of less than 100 microns, which are mostly open to the surface (after open on the outside). Moldings with are very particularly preferred a microporous fraction of over 30% of the Total porosity.
Eine spezielle Verfahrensvariante sieht vor, daß die Formlinge, bevor sie der Mikrowellenbestrahlung ausgesetzt werden, vorgetrocknet werden. Ganz besonders bevorzugt sollte die mittlere Restfeuchte 15 bis 1, vorzugsweise 5 bis 2 Gewichtsprozent betragen (bezogen auf die trockenen Materialien). Durch diesen zusätzlichen Verfahrensschritt kann die Wirtschaftlichkeit des Gesamtverfahrens gesteigert werden, indem der elektrische Energiebedarf durch Einsatz vorhandener Wärmeenergie aus zur Verfügung stehenden Abgasen verringert wird. Ein Feuchtigkeitsgehalt von 15 bis 1% Restfeuchte ist vollkommen ausreichend, um die vorzugsweise nach außen offenen Mikroporen zu bilden.A special process variant provides that the Preforms before they are exposed to microwave radiation exposed, pre-dried. Most notably the average residual moisture should preferably be 15 to 1, preferably 5 to 2 percent by weight (based on the dry materials). Through this additional Process step can reduce the economy of Overall process can be increased by the electrical Energy requirements from the use of existing thermal energy available exhaust gases is reduced. A Moisture content is 15 to 1% residual moisture perfectly adequate to the outside preferably to form open micropores.
Die Formgebungsvorrichtung gemäß der Erfindung kann aus einem Pelletierteller, einer Drehtrommel, einer Tablettenpresse, einer Brikettpresse, einen Tommelfilter mit Gitterrasterung oder ähnlichem bestehen, das Verfestigungsaggregat kann beispielsweise ein Brennofen, ein Wanderrost mit Brennhaube oder eine Begasungskammer sein. Die Transportstrecke kann ein Bandförderer, eine Rutsche, ein Schwingförderer, ein Rollenförderer oder ein ähnliches Fördermittel sein.The molding device according to the invention can be made of a pelletizing plate, a rotating drum, one Tablet press, a briquette press, a drum filter with grating or the like, which Solidification unit can for example be a kiln, a traveling grate with a fire hood or a fumigation chamber be. The transport route can be a belt conveyor, a Slide, a vibratory conveyor, a roller conveyor or a be similar funding.
Vor dem Mikrowellenstrahler kann ein Trocknungsaggregat auf der Transportstrecke angeordnet sein.A drying unit can be placed in front of the microwave heater be arranged on the transport route.
Die wirtschaftliche Anwendung der erfindungsgemäßen Formlinge mit dem hohen Feinporenanteil liegt auf vielen Gebieten:The economic application of the invention Moldings with a high proportion of fine pores lie on many Areas:
Bei der Vergasung von Braunkohle (EP 01 82 404 A2) im Druckbereich von 5 bis 150 bar mit Sauerstoff, Wasserdampf und/oder Kohlendioxid als Vergasungsmittel werden Braunkohle-Pellets im Reaktor auf ein Festbett gegeben, das sich langsam nach unten bewegt. Solche Pellets bestehen aus zerkleinerter Hartbraunkohle mit einer Körnung unter 1 mm, Bindemittel sind Wasser (10 bis 25 Gewichtsprozent) und Bentonit (4 bis 10 Gewichtsprozent). Eine hohe Porigkeit der Pellets erhöht die Vergasungsgeschwindigkeit und die Umsetzungsrate bei besserer Gasausnutzung des Vergasungsmittels. In the gasification of brown coal (EP 01 82 404 A2) in Pressure range from 5 to 150 bar with oxygen, Water vapor and / or carbon dioxide as a gasifying agent lignite pellets are placed in the reactor on a fixed bed given that slowly moves down. Such Pellets consist of crushed hard lignite a grain size of less than 1 mm, binders are water (10 to 25% by weight) and bentonite (4 to 10 Percent by weight). A high porosity of the pellets increases the gasification rate and the conversion rate better gas utilization of the gasification agent.
Gemäß der Erfindung erzeugte Formlinge aus Keramikmaterial sind besonders geeignet als Trägersubstanz für (dotierte, bedampfte) Abgaskatalysatoren z.B. in der Kraftfahrzeugindustrie.Moldings produced according to the invention Ceramic materials are particularly suitable as Carrier substance for (doped, vapor-coated) Catalytic converters e.g. in the automotive industry.
Verbessertes Filtermaterial aus Aktivkohle und Gasbeton zur Luftfilterung (DE-AS 24 34 297) kann nach dem beanspruchten Verfahren bzw. mit der beanspruchten Vorrichtung hergestellt werden.Improved filter material made of activated carbon and gas concrete for air filtering (DE-AS 24 34 297) can according to claimed method or with the claimed Device are made.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das dazugehörige Verfahren sind insbesondere für die Herstellung wärmedämmender Formkörper z.B. aus Kohlenstoff, Graphit oder Mineralien geringer Rohdichte und hoher Porosität geeignet.The device according to the invention and the associated Processes are particularly for manufacturing thermally insulating molded body e.g. made of carbon, graphite or minerals with low bulk density and high porosity suitable.
Bei der Eisenerzreduzierung werden Pellets benötigt, die leicht reduzierbar sind und günstige Eigenschaften hinsichtlich des Erweichungs- und Aufschmelzverhaltens aufweisen (DE 30 13 922 C2). Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Eisenerzformlinge mit hoher Porosität sind dafür besonders geeignet.When iron ore reduction, pellets are needed that are easily reducible and favorable properties with regard to the softening and melting behavior have (DE 30 13 922 C2). The after Process produced iron ore moldings according to the invention with high porosity are particularly suitable for this.
Die Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und im folgenden beispielhaft weiter erläutert. Es zeigen:The invention is schematic in the drawing shown and further examples below explained. Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 1 is a schematic representation of the method according to the invention,
Fig. 2 eine Vorrichtung zur Vortrocknung und Mikrowellenbestrahlung von Formlingen gemäß der Erfindung. Fig. 2 shows a device for predrying and microwave irradiation of moldings according to the invention.
In Fig. 1 ist die Herstellung von Eisenerzpellets in einer Drehtrommel (1), der ein Verfestigungsaggregat, hier ein Brennofen (2), zur Endaushärtung nachgeschaltet ist, aus feinkörnigen Materialien (3) wie Eisenerzen, Zuschlägen und Rückgut mit einem Wasserzusatz von 12 Gew.% als Bindemittel schematisch dargestellt. Wesentlich zur Erzeugung der Mikroporen ist die Mikrowellenbestrahlung (4) vor der Endaushärtung. Zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit ist es sinnvoll, der Mikrowellenbestrahlung (4) eine Vortrocknung (5) vorzuschalten. Der Transport der vorgeformten Pellets von der Drehtrommel (1) zum Brennofen (2) erfolgt hier mit Förderbändern (6). Die hochporösen gebrannten Pellets (7) werden aus dem Brennofen (2) ausgetragen und einem Reduktions- und Schmelzaggregat wie z. B. einem Hochofen oder einem Drehrohrofen sowie daran anschließend einem Elektrolichtbogenofen zugeführt.In Fig. 1, the production of iron ore pellets in a rotary drum ( 1 ), which is followed by a solidification unit, here a kiln ( 2 ), for final hardening, made of fine-grained materials ( 3 ) such as iron ores, aggregates and return material with a water additive of 12 wt % schematically represented as a binder. Microwave radiation ( 4 ) prior to final curing is essential for generating the micropores. To increase the economy, it makes sense to pre-dry the microwave radiation ( 4 ) ( 5 ). The preformed pellets are transported from the rotary drum ( 1 ) to the kiln ( 2 ) here with conveyor belts ( 6 ). The highly porous fired pellets ( 7 ) are discharged from the kiln ( 2 ) and a reduction and melting unit such as. B. a blast furnace or a rotary kiln and then fed to an electric arc furnace.
Eine andere ausführlichere Darstellung einer Vorrichtung zur Vortrocknung und zur Mikrowellenbestrahlung ist in Fig. 2 dargestellt. Die Eisenerzpallets (10) werden von oben in einen aufrechtstehenden zylinderförmigen Schacht (11) aufgegeben, der im Gegenstrom von vorgewärmter Luft (12) oder heißen Abgasen mit Temperaturen bis 150°C durchströmt wird. Ehe die Pellets in den trichterförmig zulaufenden Teil (13) des Schachtes einlaufen, werden sie über Siebböden (14) geführt und vorgetrocknet. Bei (15) wird das abgezogene Abgas z. B. in einem Heißgaszyklon gereinigt. Die Pellets durchwandern langsam eine senkrechte rohrförmige Strecke (16), in der sie einem Mikrowellenfeld (17) ausgesetzt werden. Bei dieser Behandlung werden im Pellet sehr homogene Mikroporen ausgebildet.Another more detailed illustration of a device for predrying and for microwave irradiation is shown in FIG. 2. The iron ore pallets ( 10 ) are fed from above into an upright cylindrical shaft ( 11 ), which is heated in countercurrent by preheated air ( 12 ) or hot exhaust gases at temperatures up to 150 ° C. Before the pellets run into the funnel-shaped part ( 13 ) of the shaft, they are passed over sieve trays ( 14 ) and pre-dried. At ( 15 ) the exhaust gas z. B. cleaned in a hot gas cyclone. The pellets slowly travel through a vertical tubular section ( 16 ) in which they are exposed to a microwave field ( 17 ). With this treatment, very homogeneous micropores are formed in the pellet.
Mikrowellenstrahler bzw. Mikrowellenöfen sind in gängigen Baugrößen auf dem Markt erhältlich. Sie arbeiten bei Mikrowellen-Frequenzen von 2450 MHz und werden über ein normales Stromnetz 220 V/380 V/50 Hz versorgt. Die elektrische Leistungsaufnahme beträgt für eine Behandlungsfläche von 1 m2 etwa 3,5 kW bei einer Mikrowellenausgangsleistung von etwa 2 kW. Microwave emitters and microwave ovens are available in common sizes on the market. They work at microwave frequencies of 2450 MHz and are supplied via a normal electricity network 220 V / 380 V / 50 Hz. The electrical power consumption for a treatment area of 1 m 2 is approximately 3.5 kW with a microwave output of approximately 2 kW.
Bei einer Bestrahlung der Formlinge auf einem Förderband (ca. 0,5 m breit) aus dünner Gummi-Gewebestruktur mit einer kontinuierlichen Bandgeschwindigkeit von ca. 1 bis 2 m/min sollen die Formlinge in ein- bis fünflagiger Schichthöhe in mehreren aufeinanderfolgenden Behandlungszonen behandelt werden. Die Behandlungszonen bzw. Bestrahlungsquellen z.B. fünf Mikrowellenstrahler sollen in einem Abstand von ca. 1 m bei einer Bestrahlungslänge von ca. 0,5 m hintereinander angeordnet sein. Die Mikrowellenstrahler können oberhalb und/oder unterhalb des Bandförderers angeordnet sein. Zur Verhinderung von Streustrahlung können am Bandein- und -auslauf jeder Behandlungszone Reflektoren vorgesehen sein.When the moldings are irradiated on a conveyor belt (approx. 0.5 m wide) made of thin rubber fabric structure a continuous belt speed of approx. 1 to The moldings should be 2 m / min in one to five layers Layer height in several successive Treatment zones are treated. The treatment zones or radiation sources e.g. five microwave radiators should be at a distance of approx. 1 m at a Irradiation length of approx. 0.5 m arranged in a row be. The microwave radiators can be above and / or be arranged below the belt conveyor. To Prevention of stray radiation can be on the belt and -outflow of each treatment zone reflectors provided be.
Bei einer Behandlung im Schacht oder Rohr sollte die Pellet-Schüttung mit ca. 0,1 m/min absinken. Die Bestrahlung erfolgt stoßweise intermittierend (z.B. 30 sec Strahlung und 30 sec Pause zum Temperatur- und Feuchtigkeitsausgleich innerhalb der Formlinge). Vorzugsweise sind am Fallrohr zwei gegenüberliegende Strahler und seitlich dazu zwei gegenüberliegende Reflektoren angeordnet.When treating in the shaft or pipe, the Pellet fill sink at approx. 0.1 m / min. The Irradiation occurs intermittently intermittently (e.g. 30 sec radiation and 30 sec break for temperature and Moisture balance within the moldings). There are preferably two opposite ones on the downpipe Spotlight and two opposite to the side Reflectors arranged.
Die Behandlungsdauer und -intensität (z. B. eine geringere Leistungsstufe) wird in Abhängigkeit der Formlingseigenschaften bzw. -parameter geregelt und angepaßt, damit keine nachteiligen Dekrepitationserscheinungen auftreten.The duration and intensity of treatment (e.g. a lower power level) is dependent on the Shaped properties and parameters regulated and adjusted so that no disadvantage Symptoms of decrepitation occur.
Bei üblichen Trocknungsverfahren erfolgt die Feuchtigkeitsaustreibung schalenförmig von außen nach innen. Hierbei ist das Pellet innen noch feucht und außen schon trocken; dabei versucht es sich außen zusammenzuziehen bzw. zu schrumpfen (Zugspannungen), was zu Rißbildung und schaligem Abplatzen führen kann. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Feuchtigkeitsaustreibung von "innen nach außen". Dabei werden die Mikroporen durch Dampfbildung von innen nach außen freigepreßt. Eine Schrumpfung erfolgt nur in verminderter Form, da das äußere Materialgerüst noch in unveränderter Form besteht und es bilden sich mehr Poren (Zwischenkornvolumen) im Pellet aus.This is done with conventional drying processes Expulsion of moisture from the outside in a bowl shape Inside. The pellet is still moist inside and outside already dry; it tries outside contract or shrink (tensile stresses) what can lead to cracking and peeling. At the method according to the invention takes place Expulsion of moisture from "inside out". Here the micropores become vaporized from the inside to the inside pressed outside. Shrinkage only occurs in reduced form because the outer material structure is still in unchanged shape and there are more pores (Intermediate grain volume) in the pellet.
Es kann vorteilhaft sein, die Mikrowellenenergie stoßweise in mehreren Stufen auf die Formlinge einwirken zu lassen. Die Mikrowellenenergie sollte dabei in Abhängigkeit vorzugsweise folgender Verfahrensparameter regelbar sein: zugeführte Materialmenge, Schichtdicke, Bindemittelmenge, Feuchtigkeitsgehalt der Pellets vor und nach jeder Mikrowellenbehandlungsstufe. Ein Förderer (18), hier ein Schwingförderer mit Siebboden zur Heißluftabsiebung, transportiert die Formlinge zum Verfestigungsaggregat, in den meisten Fällen einem Brennofen oder Wanderrost. Nach dem Brennprozeß werden die Formlinge ihren vorgesehenen Verwendungszweck zugeführt.It may be advantageous to have the microwave energy intermittently act on the moldings in several stages. The microwave energy should preferably be controllable depending on the following process parameters: amount of material supplied, layer thickness, amount of binder, moisture content of the pellets before and after each microwave treatment stage. A conveyor ( 18 ), here an oscillating conveyor with a sieve bottom for hot air sifting, transports the moldings to the solidification unit, in most cases a kiln or traveling grate. After the firing process, the moldings are fed to their intended use.
Es sind auch sogenannte COBO-Pellets (Cold bound) bekannt, die kalt durch Begasung z. B. mit Dampf oder Kohlendioxid aushärten, und bei denen in gleicher Weise die Mikroporendichte durch eine vorgeschaltete Mikrowellenbehandlung erheblich gesteigert werden kann.They are also so-called COBO pellets (cold bound) known that cold by fumigation z. B. with steam or Cure carbon dioxide, and in the same way the micropore density by an upstream Microwave treatment can be increased significantly.
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