EP4186963A1 - Lagerstabiles kathodenausbruchsmaterial, verfahren zu seiner herstellung sowie dessen verwendung als brennstoff - Google Patents

Lagerstabiles kathodenausbruchsmaterial, verfahren zu seiner herstellung sowie dessen verwendung als brennstoff Download PDF

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EP4186963A1
EP4186963A1 EP21210576.1A EP21210576A EP4186963A1 EP 4186963 A1 EP4186963 A1 EP 4186963A1 EP 21210576 A EP21210576 A EP 21210576A EP 4186963 A1 EP4186963 A1 EP 4186963A1
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EP
European Patent Office
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cathode
breakout
wax
hydrophobic binder
material according
Prior art date
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Pending
Application number
EP21210576.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ralf Lemke
Olaf Güssgen
Kathrin Eckhard
Joachim Höfler
Andreas Beermann
Thorsten Kensy
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Speira GmbH
Original Assignee
Speira GmbH
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Publication date
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Priority to EP22822107.3A priority patent/EP4437068A1/de
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Priority to AU2022397819A priority patent/AU2022397819A1/en
Priority to CA3239118A priority patent/CA3239118A1/en
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    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium

Definitions

  • the invention relates to a cathodic material, a process for its production and its use as a fuel, preferably in power stations and in the production of mineral wool, cement and steel.
  • Aluminum is usually produced by fused-salt electrolysis in aluminum electrolytic cells using the Hall-Heroult process. During the electrolysis of the molten mixture of alumina and cryolite, the aluminum formed is deposited on the cathode and, on the anode, oxygen reacts with the graphite of the anode to form carbon dioxide and carbon monoxide. Over time, the graphite anodes will wear out and need to be replaced.
  • the cathode lining which also consists primarily of graphite, is inert to aluminum.
  • sodium from the molten bath is absorbed by the cathode lining and forms intercalation compounds that change the wetting behavior of the cathode lining with respect to the electrolyte.
  • the molten cryolite and alumina salts can then more easily penetrate through pores and cracks into the cathode lining and over time completely impregnate it, thereby degrading the electrolytic cell's productivity and energy consumption.
  • the content of iron and silicon impurities in the aluminum is increased.
  • the average service life of the cathode lining in industrial aluminum electrolytic cells is usually between 4 and 7 years. Actual lifetime can also be significantly shorter if premature cathode liner failure occurs, usually caused by cracks in the cathode liner.
  • the cathode liner is broken open and removed mechanically, for example using jackhammers.
  • the resulting cathode spall also known as "spent pot lining (SPL)"
  • SPL super pot lining
  • the first cut which consists of the cathode lining graphite
  • the second cut which is a mixture of the cathode lining graphite and the refractory lining.
  • the cathodic breakout consists of about 55% of the first cut and 45% of the second cut.
  • the first cut cathode breakout is predominantly graphite with low volatiles and sulfur content.
  • toxic compounds such as cyanides, for example in the form of sodium cyanide, and fluoride compounds accumulate during aluminum electrolysis on or in the cathode lining. These toxic compounds have a high reactivity with water and/or air, in particular oxygen, which can lead to the development of heat, toxic gases and inflammation.
  • Cathode flare is therefore classified as hazardous waste and dangerous goods in most countries, for example under the European Agreement concerning the International Carriage of Dangerous Goods by Road (ADR).
  • cathodic flare is identified in the transport documents as UN3170 WASTE, ALUMINUM PRODUCTION BY-PRODUCTS, 4.3, III, (E) and is classified as a Dangerous Good of Class 4.3: "Substances which, in contact with water, emit flammable gases".
  • cathode slag has a thermally interesting calorific value, so that the use of cathode skeleton as fuel is desirable as a possible disposal route.
  • cathodic debris classified as dangerous goods is limited by the complex transport, storage and processability.
  • usefulness of the cathode spall as a fuel, as well as its disposal costs is highly dependent on the size of the cathodic spall fragments.
  • the WO 2014/026138 A1 describes a cathodic eruption containing at least 65% by weight carbon content and its use as a fuel.
  • the high carbon content is produced by using only the first cut of the cathode breakout and optionally adding thereto a carbon-enriching compound, the carbon-enriching compound being selected from compatible metallurgical residues such as by-products of graphite anode or graphite cathode production.
  • Such by-products are WO 2014/026138 A1 unspecified, but could be, for example, dust, fragments or offcuts from production scrap.
  • the carbon-enriched cathode slag generated in this way has a higher calorific value, it is still a hazardous material due to the cyanides and fluorides contained in the cathode sliver, which are highly reactive with water and/or atmospheric oxygen.
  • the WO 88/06572 A1 describes a process for the production of mineral wool in which, inter alia, briquettes consisting of a mixture of cathode spoil and bituminous coke and coke oven pitch are used as part of the fuel charge of the mineral wool cupola furnace. This is intended to reduce unwanted silicon deposits in the furnace that occur during the manufacture of the mineral wool.
  • the briquette should preferably contain about 40% hard coal coke, 0.45% cathodic debris and 15% coke pitch.
  • a disadvantage of these briquettes is that they contain only extremely small amounts of cathode debris and therefore only small portions of the cathode debris can be used as fuel and disposed of.
  • the coke oven pitch used as a binder is technically difficult to handle due to its high stickiness, the processing window at high temperatures and the partly carcinogenic ingredients such as polycyclic aromatic hydrocarbons.
  • the object of the invention was to provide a cathode breakout material, which allows for safe storage and safe transport of smaller-grain fractions and dusts of the Guaranteed cathode eruption and does not have the disadvantages mentioned in the prior art.
  • Another object of the invention was to provide a simple method for producing such a cathode blast material.
  • cathodic material containing cathodic material, in particular from aluminum electrolytic cells, and at least one hydrophobic binder, the hydrophobic binder being selected from wax, a waxy compound or mixtures thereof.
  • the subject matter of the invention is also a method for the production of a cathode spoilage material and the use of the cathode spoilage material according to the invention as a fuel.
  • a cathode blast material which has no appreciable reactivity towards water and/or atmospheric oxygen, so that its storage and transport stability is ensured.
  • the cathode eruption is rendered inert to such a complete extent by the addition of the hydrophobic binders provided according to the invention that it is no longer considered hazardous waste to be transported.
  • the cathode breakout material according to the invention no longer develops any flammable gases when it comes into contact with water and therefore no longer has to be transported as dangerous goods of subclass 4.3 and provided with the appropriate transport documents.
  • the cathode scrap material according to the invention can be stored and transported without difficulty, which makes its disposal as fuel, preferably in power plants and in the production of mineral wool, cement and steel, cheaper and therefore economically more attractive than landfilling. From an ecological point of view, using it as a fuel is preferable to dumping it in a heap.
  • a further advantage of the solution according to the invention is that the presence of the hydrophobic binder, selected from wax, a waxy compound or mixtures thereof, in the cathode excavation material according to the invention further increases the calorific value of the cathode excavation according to the added proportion of hydrophobic binder, so that calorific value fluctuations between different batches of cathodic eruption are of no consequence when used as fuel.
  • the cathode waste material according to the invention it is possible to set the combustion behavior within a large degree of freedom and therefore to optimize it when used as fuel for the respective recycling process, so that it can be precisely adapted to the requirements of the corresponding further processing method.
  • An additional advantage of the invention is that the small, semolina-like fractions and dusts of the cathode eruption, which are highly reactive with water and/or atmospheric oxygen due to their high surface area, also agglomerate with the hydrophobic binder selected from wax, a waxy compound or mixtures thereof and become largely inert so that these components of the cathode eruption, which previously could only be disposed of in a complex and expensive manner due to their reactivity and size, can also be used inexpensively and safely as fuel.
  • the size of the cathode breakout that can be used for the production of mineral wool is usually limited to fractions larger than 50 mm in order to ensure a certain gas permeability of the furnace charge.
  • the method according to the invention it is also possible to agglomerate the small fractions of less than 50 mm of the cathode debris using the hydrophobic binder, selected from wax, a waxy compound or mixtures thereof, to a cathode debris material adapted in size to the specifications of the respective further processing method.
  • the hydrophobic binder selected from wax, a waxy compound or mixtures thereof
  • cathodic debris within the meaning of the invention means that the cathode debris is present with the hydrophobic binder in agglomerated form. Agglomerated means that the individual particles of the cathode eruption are bound together to form larger assemblies by means of the hydrophobic binder.
  • the cathodic spatter material of the present invention includes cathodic spall, particularly from aluminum electrolytic cells.
  • cathode spoilage is understood according to the invention as the raw material that is obtained during the mechanical breaking up and removal of the cathode lining, in particular the cathode lining of an aluminum electrolytic cell.
  • Cathode eruption within the meaning of the invention is also referred to as spent pot lining (SPL).
  • SPL spent pot lining
  • the cathode breakout is free of a hydrophobic binder.
  • first cut In practice, a distinction is made between the first cut and the second cut of a cathode breakout of aluminum electrolytic cells. While the first cut consists only of the material of the cathode lining of the electrolytic cell and thus essentially of graphite, the second cut also contains parts of the refractory lining of the electrolytic cell.
  • the cathodic breakout in the cathodic breakout material of the present invention may consist of the first cut or the second cut or a mixture of the first and second cuts. It is thus possible to adjust the cathode material that has been broken out to the specifications of the respective further processing method. For example, when using cathodic breakout as fuel in the manufacture of cement, the first and second cuts are typically used, while in the manufacture of mineral wool only the first cut is typically used.
  • the first cut of the cathode breakout typically comprises 40 to 75 wt% carbon, 10 to 20 wt% fluoride, 8 to 17 wt% sodium, up to 10 wt% alumina, up to 5 wt% aluminum (metal), 0.01-0.5 wt% cyanide, up to 6 wt% silica, 1 to 6 wt% calcium oxide, 0.1 to 0.3 wt% sulfur, and up to to 300 ppm polycyclic aromatic hydrocarbons.
  • the second cut of the cathode breakout typically comprises 0 to 20 wt% carbon, 4 to 10 wt% fluoride, 6 to 14 wt% sodium, 10 to 50 wt% alumina, 10 to 50 wt% silicon dioxide, 1 to 8% by weight calcium and 0.1 to 0.3% by weight sulfur.
  • composition of the first cut of the cathode breakout varies depending on the service life of the cathode lining before it breaks off.
  • the composition of the second cut consisting of the refractory lining and a small proportion of the cathode lining, is less dependent on the service life of the cathode lining.
  • their composition can also vary due to different ratios of the proportions of refractory lining and cathode lining when the same is broken off.
  • a mixture of the first and second cuts of the cathode breakout typically comprises 25 to 35 wt% carbon, 12 to 18 wt% fluoride, 12 to 18 wt% sodium, 12 to 18 wt% aluminum, bis up to 0.28% by weight cyanide, up to 3.5% by weight silicon dioxide, up to 3.5% by weight calcium oxide, 0.1 to 0.3% by weight sulfur and up to 165 ppm polycyclic aromatics hydrocarbons.
  • a mixture of the first and second cuts of the cathode breakout comprises 50 to 60% by weight of the first cut and 40 to 50% by weight of the second cut.
  • the cathode rupture contained in the invention cathodic material can in principle for agglomeration with a hydrophobic binder suitable shape and size.
  • the pellets, castings, briquettes or extrudates produced with it are more stable and there can be a uniform quality in terms of properties, such as the calorific value, from one individual pellet, casting, briquette or extrudate to the next individual pellet, casting , briquette or extrudate can be ensured.
  • the cathode eruption therefore preferably has a grain size of less than 50 mm, in particular less than 30 mm, particularly preferably less than 0.2 mm.
  • the cathode spall can be ground to the target fineness using a suitable grinder.
  • the individual fines can be separated into suitable fractions by classification using a sieving process.
  • different particle sizes can be advantageous. For example, grain sizes that are as small and homogeneous as possible are advantageous for the production of pellets and extrudates, while coarser grain sizes and less homogeneous grain size distributions can also be used for the production of castings and briquettes.
  • the cathodic breakout material of the present invention contains at least one hydrophobic binder selected from wax, a waxy compound, or mixtures thereof.
  • hydrophobic binder within the meaning of the invention is understood as meaning a binder which is immiscible with water. While hydrophobic binders are almost insoluble in water, they are soluble in organic, non-polar media.
  • Substances or mixtures of substances which can be kneaded at 20° C., are solid to brittle-hard and have a coarse to fine-crystalline structure are usually referred to as waxes have, are translucent to opaque in color, but not transparent, and melt above 40°C without decomposition and are already fluid a little above the melting point or have a low viscosity, have a strongly temperature-dependent consistency and solubility and can be polished under slight pressure.
  • a waxy compound is understood to mean a compound that has physical behavior similar to that of a wax.
  • Examples of natural waxes are wool wax, China wax, beeswax, preen gland fat, tallow, sugarcane wax, carnauba wax, candelilla wax, cork wax, guruma wax, ouicuri wax, cuba palm wax, espartowa wax, cotton wax, rice bran wax, flax wax, peat wax, rose wax, jasmine wax, peetha wax, myrtle wax , wax fig wax, petroleum wax, earth wax, stuff wax, vein wax, montan wax, petroleum wax and paraffin wax.
  • partially synthetic waxes are ester waxes of long-chain wax acids with monohydric fatty or wax alcohols, amides of fatty and wax acids, amide waxes based on fatty acids, such as distearylethylenediamide, ethylene disteamide, stearic acid amide, behenic acid amide, erucic acid amide, oleic acid amide, soy wax, castor wax, rapeseed wax, phthalamide waxes and acylated amides of fatty and wax acids.
  • amides of fatty and wax acids such as distearylethylenediamide, ethylene disteamide, stearic acid amide, behenic acid amide, erucic acid amide, oleic acid amide, soy wax, castor wax, rapeseed wax, phthalamide waxes and acylated amides of fatty and wax acids.
  • synthetic waxes are hydrocarbon waxes, polyolefin waxes such as polyethylene wax, EVA wax and polypropylene wax, polyester wax and Fischer-Tropsch wax.
  • the wax is preferably selected from polyolefin waxes, in particular polyethylene waxes, or paraffin waxes.
  • the waxy compound is selected from esters of glycerol with fatty acids, preferably linear carbon chains having 4 to 26, typically 12 to 22, carbon atoms, fatty acids, especially linear aliphatic monocarboxylic acids having 13 to 21 carbon atoms, and mixtures thereof, preferably stearin.
  • At least one hydrophobic binder selected from wax, a waxy compound or mixtures thereof, which has a dropping point according to DIN ISO 2176 between 35° C. and 75° C. has proven to be particularly practical.
  • Hydrophobic binders with a dropping point in this range strike a good balance between adequate strength at ambient temperature and the most energy efficient method of making the cathode breakout material. Due to the comparatively low dropping point, the amount of energy that has to be supplied to liquefy the hydrophobic binder during the production of the cathode breakout material is lower than for hydrophobic binders with a dropping point according to DIN ISO 2176 of over 75° C. and more.
  • the dropping point of the hydrophobic binder may advantageously be selected depending on the time of year and/or the climate zone in which the cathodic spoil is to be stored and transported to ensure that the hydrophobic binder is sufficiently solid at ambient temperature.
  • a hydrophobic binder with a drop point according to DIN ISO 2176 in the range between 35°C and 45°C is sufficient in a colder season and/or moderate climate zone, while in the warmer season and/or subtropical and tropical climate zones a hydrophobic binder with one Dropping point according to DIN ISO 2176 in the range between 45°C and 75°C can be advantageous.
  • the hydrophobic binder contains the smallest possible proportion of functional groups, preferably is free of functional groups.
  • functional groups are understood to mean chemical groups which differ from pure carbon-carbon or carbon-hydrogen single bonds.
  • Such a hydrophobic binder brings about a further significantly reduced reactivity of the cathode breakout material according to the invention with water and/or atmospheric oxygen, so that its storage and transport stability is further improved.
  • the higher proportion of carbon in the hydrophobic binder also increases the calorific value of the cathode debris when it is used as a fuel.
  • the cathode debris has a calorific value of between 10,500 and 31,000 kJ/kg, determined according to the RAL-GZ 724 method of the Federal Quality Association for Secondary Fuels.
  • the addition of the hydrophobic binder significantly increases the calorific value of the cathode eruption, which is usually in the range from 7500 to at most 10000 kJ/kg.
  • the cathode spoilage material according to the invention can be adapted to the requirements of the respective further processing method.
  • the cathode scrap material can advantageously be in the form of pellets, cocoons, castings, briquettes or extrudates.
  • the cathode breakout material is in the form of pellets or extrudates and contains 75 to 90% by weight cathode breakout and 10 to 25% by weight hydrophobic binder based on the total weight of the cathode breakout material.
  • Cathode spoilage in the form of pellets or extrudates that can be easily dosed is advantageous for using the cathode spoilage material as a fuel in combustions controlled by calorific value, for example in the production of cement in a rotary kiln or in the operation of a power plant.
  • the target temperature can be reliably predicted by charging with a homogeneous fuel with a known calorific value. The smaller the dosage form of the fuel, the more precisely the temperature that is reached can be regulated. Reaching a target temperature within certain limits can be important for maintaining the quality of the manufactured product.
  • the cathode spoil is in the form of briquettes and contains 60 to 80% by weight cathode spoil and 20 to 40% by weight hydrophobic binder based on the total weight of the cathode spoil.
  • Cathode spoilage material in the form of briquettes is advantageous for using the cathode spoilage material as a fuel in roughly calorific value-controlled combustion, for example in cupola furnaces used in the manufacture of mineral wool, and in batch furnaces, for example in electric arc furnaces used in steelmaking .
  • the necessary gas permeability of the feed can be achieved more easily due to the coarser form of administration compared to pellets.
  • the target temperature can be reliably set by charging with homogeneous fuel with a known calorific value.
  • the cathode breakout material is in the form of castings and contains 30 to 80% by weight cathode breakout and 20 to 70% by weight hydrophobic binder, based on the total weight of the cathode breakout material.
  • Cathode spoilage in the form of castings is advantageous for using the cathode spoilage as fuel in roughly calorific value-controlled combustions, for example in cupola furnaces used in the production of mineral wool and in batch furnaces, eg electric arc furnaces.
  • the casting molds make it possible to introduce a large amount of fuel into the process in a gas-permeable manner and at the same time enable a reliable temperature setting due to the homogeneous fuel with a known calorific value.
  • the method according to the invention is characterized in that it ensures a simple, cost-effective and energy-efficient production of the cathode excavation material.
  • the cathode spoilage material according to the invention in relation to individual technical features applies correspondingly to the corresponding technical features of the method according to the invention.
  • Step (a) of the method according to the invention provides for the provision of cathodic breakout, in particular aluminum electrolytic cells.
  • the provision of the cathode breakout in step (a) can take place in any shape and size of the cathode breakout and is only limited by the technical possibilities of transporting the cathode breakout.
  • both coarse pieces and plates of cathode debris more than 1 m in length and very fine dusts of cathode debris and mixtures with a wide variety of grain sizes and plate sizes, such as are usually obtained when a cathode lining is mechanically demolished can be used in step (a).
  • step (b) of the method the broken cathode is comminuted in at least one comminution device.
  • a comminution device known to those skilled in the art can be used as at least one comminution device.
  • the at least one comminution device in step (b) is preferably a mill or a crusher.
  • the at least one comminution device causes a reduction in the plate and/or particle size of the cathodic breakout.
  • the cathode eruption is fractionated by a separating device.
  • separating devices can be used which ensure a homogeneous particle size of the cathode debris.
  • the separating device in step (c) is a screen.
  • other separating devices are also conceivable with which a fine fraction of a specific grain size of the cathode sliver can be separated from the cathode sliver comminuted in step (b).
  • the fractionation in step (c) can preferably take place at the same time as the comminution in step (b). However, it is also conceivable that the fractionation takes place only after the comminution in step (b).
  • the method according to the invention provides that in step d) the cathode debris is mixed with at least one hydrophobic binder selected from wax, a waxy compound or mixtures thereof in a mixing device.
  • the at least one hydrophobic binder is preferably metered into the mixing device in step (d) in liquid form or liquefied by heating in the mixing device.
  • the dosing in liquid form can be achieved, for example, by supplying the hydrophobic binder to the mixing device from a separate heated reservoir.
  • the mixing device itself can be heated or that the wax is liquefied by the energy input of the mixing unit in the mixing device.
  • Steps (b) to (d) of the process according to the invention are carried out under an inert gas atmosphere.
  • an inert gas atmosphere This is necessary because the cathode eruption, in particular the fine fractions thereof produced in step (b), are highly reactive with water and/or atmospheric oxygen, which, as already explained at the beginning, can lead to heat development, toxic gas development and ignition.
  • Such a reaction must therefore be avoided at all costs from a safety perspective.
  • noble gases such as helium, neon, argon, krypton and xenon, as well as nitrogen, can be used as the inert gas.
  • nitrogen is preferred according to the invention.
  • step (e) of the process according to the invention the mixture obtained in step (d) is portioned.
  • the portioning in step (e) is preferably selected from casting, briquetting, extruding or pelletizing.
  • the hydrophobic binder cocoon can be a geometric hollow shape, in particular a hollow sphere or a hollow cylinder, with a hollow sphere being preferred.
  • step (e) The portioning in step (e) would take place for the hollow sphere-cocoon embodiment in such a way that the mixture obtained in step (d) is filled into a solid hollow hemisphere made of the hydrophobic binder and the other solid hollow hemisphere after heating and thus softening the surrounding The edge of the hollow hemisphere is then placed like a lid on the hollow hemisphere filled with the cathode rupture, so that the cathode rupture is completely enclosed by the solid cocoon of hydrophobic binder.
  • step (e) of the process according to the invention different proportions of cathode debris and binder are preferably mixed in step (d).
  • the portioning is pelletizing or extruding and in step (d) 75 to 90% by weight cathode slag and 10 to 25% by weight hydrophobic binder based on the total weight of the mixture of cathode slag and hydrophobic binder , mixed.
  • the portioning is briquetting and in step (d) 60 to 80% by weight of cathode slag and 20 to 40% by weight of hydrophobic binder, based on the total weight of the mixture of cathode slag and hydrophobic binder, mixed.
  • the portioning is in-mold casting and in step (d) 30 to 80% by weight of cathode eruption and 20 to 70% by weight of hydrophobic binder, based on the Total weight of mixture of cathode spall and hydrophobic binder, mixed.
  • the method according to the invention provides that the cathode debris is removed in step (f).
  • the cathode debris removed in step (f) is preferably present in the administration forms mentioned above.
  • the broken-out cathode material Before removal in step (f), the broken-out cathode material can be treated with a separating agent in order to prevent the broken-out cathode material from sticking together during storage and transport.
  • a separating agent in order to prevent the broken-out cathode material from sticking together during storage and transport.
  • Powdered substances are conceivable as release agents.
  • Exemplary release agents are calcium carbonate, talc or silicates.
  • the process according to the invention can be carried out semi-continuously or continuously.
  • the invention relates to the use of the cathode spoilage material according to the invention as a fuel, preferably in power stations and in the production of mineral wool, cement and steel.
  • the combustion behavior of the cathode scrap material must be adapted to the different requirements of the respective recycling process.
  • FIG 1 1 is a schematic representation of an embodiment of the method of the present invention for producing cathode spoil.
  • a nitrogen-inerted mill with the prepared cathode burst 2 with a particle size of less than 50 mm is charged via a vibrating hopper 3 . If fragments are too coarse or the range in size distribution is too large to be fed to a mill, a nitrogen-inerted crusher can also be installed upstream.
  • the served cathode breakout 2 acts at the same time as a dust separator.
  • Using a sieve 4 close to the ground the final grain size with which the fine fraction of the cathode debris is discharged from the mill into the heated mixer 5 is determined.
  • liquefied wax is added via a dosing unit 6 to a concentration of 20 to 40% by weight of wax based on the total weight of the cathode spoilage material.
  • the wax was liquefied beforehand in a heated wax storage tank 7 .
  • the mill 1, the crusher that may be connected upstream and the addition of wax via the dosing unit 6 are stopped.
  • the direction of mixing rotation in the mixer 5 is changed and the cathode spoilage material/wax mixture is poured into slightly conical molds 8 . After cooling to room temperature the finished cathode spoilage material can be removed from the molds 8 and is therefore available as a casting.
  • the grinding process took place under a nitrogen atmosphere and was carried out with a target fineness of 10% > 90 ⁇ m. This means that after grinding was complete, 90% of the cathode breakout was smaller than 90 ⁇ m, the remaining 10% was between approx. 150 and 200 ⁇ m.
  • the pelleting was carried out in a semi-continuous process, in that the ground cathode debris was tracked in such a way that the pellet removal (falling over the edge) turned out to be proportional to the mass.
  • the preheated, liquid wax was dosed (or sprayed on) in the appropriate ratio.
  • the angle of attack of the pelletizing disk during the production of the pellets was 30° to the perpendicular and the number of revolutions was 30 rpm.
  • the "original substance” given in Table 1 means the pellets as they were removed from the pelletizing machine.
  • “Dry matter” refers to the pellets that have been subjected to drying in accordance with DIN EN 14346 after removal from the pelletizing machine.
  • castings were made.
  • a sieve fraction ⁇ 3 mm was separated from the fine fraction of the cathode debris and used.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Kathodenausbruchsmaterial enthaltend Kathodenausbruch, insbesondere von Aluminium-Elektrolysezellen, und mindestens ein hydrophobes Bindemittel, wobei das hydrophobe Bindemittel ausgewählt ist aus Wachs, einer wachsartigen Verbindung oder Mischungen davon. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kathodenausbruchsmaterials, umfassend die folgenden Schritte: (a) Bereitstellen von Kathodenausbruch, insbesondere von Aluminium-Elektrolysezellen, (b) Zerkleinern des Kathodenausbruchs in mindestens einer Zerkleinerungsvorrichtung, (c) Fraktionieren des Kathodenausbruchs durch eine Trennvorrichtung, (d) Mischen des Kathodenausbruchs mit mindestens einem hydrophoben Bindemittel, ausgewählt aus Wachs, einer wachsartigen Verbindung oder Mischungen davon, in einer Mischvorrichtung, (e) Portionieren der in Schritt (d) erhaltenen Mischung, (f) Entnehmen des Kathodenausbruchsmaterials, wobei die Schritte (b) bis (d) unter Inertgas-Atmosphäre durchgeführt werden. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung des Kathodenausbruchsmaterials als Brennstoff, vorzugsweise in Kraftwerken sowie bei der Herstellung von Mineralwolle, Zement und Stahl.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kathodenausbruchsmaterial, ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie dessen Verwendung als Brennstoff, vorzugsweise in Kraftwerken sowie bei der Herstellung von Mineralwolle, Zement und Stahl.
  • Die Herstellung von Aluminium erfolgt üblicherweise durch Schmelzflusselektrolyse in Aluminium-Elektrolysezellen mittels des Hall-Heroult-Prozesses. Bei der Elektrolyse der geschmolzenen Mischung aus Aluminiumoxid und Kryolith setzt sich das gebildete Aluminium an der Kathode ab und an der Anode reagiert Sauerstoff mit dem Graphit der Anode zu Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonoxid. Mit der Zeit werden die Graphitanoden aufgebraucht und müssen ersetzt werden.
  • Die Kathodenauskleidung, die überwiegend ebenfalls aus Graphit besteht, ist gegenüber Aluminium inert. Allerdings wird Natrium aus dem Schmelzbad von der Kathodenauskleidung absorbiert und bildet Einlagerungsverbindungen, die das Benetzungsverhalten der Kathodenauskleidung gegenüber dem Elektrolyten verändern. Das geschmolzene Kryolith und Aluminiumoxid-Salze können dann einfacher durch Poren und Risse in die Kathodenauskleidung eindringen und imprägnieren diese mit der Zeit vollständig, wodurch sich die Produktivität der Elektrolysezelle sowie deren Energieverbrauch verschlechtern. Ferner wird der Gehalt an Eisen- und Siliziumverunreinigungen im Aluminium erhöht.
  • Aus diesen Grund beträgt die durchschnittliche Betriebszeit der Kathodenauskleidung in industriellen Aluminium-Elektrolysezellen üblicherweise zwischen 4 und 7 Jahren. Die tatsächliche Lebensdauer kann auch deutlich kürzer sein, wenn ein, meist durch Risse in der Kathodenauskleidung erzeugtes, vorzeitiges Versagen der Kathodenauskleidung auftritt.
  • Um die Kathodenauskleidung der Aluminium-Elektrolysezelle zu ersetzen, wird die Kathodenauskleidung mechanisch, beispielweise unter Verwendung von Presslufthammern, aufgebrochen und entfernt. Der dabei anfallende Kathodenausbruch, auch "spent pot lining (SPL)" genannt, wird industriell in einen "ersten Schnitt", der Material der Kathodenauskleidung enthält, und einen "zweiten Schnitt", der eine Mischung aus Material der Kathodenauskleidung und der feuerfesten Auskleidung enthält, unterteilt.
  • Abhängig von der weiteren Entsorgung des Kathodenausbruchs wird der erste Schnitt, der aus dem Graphit der Kathodenauskleidung besteht, von dem zweiten Schnitt, der eine Mischung des Graphits der Kathodenauskleidung und der feuerfesten Auskleidung darstellt, getrennt. Typischerweise besteht der Kathodenausbruch aus etwa 55% des ersten Schnittes und 45% des zweiten Schnitts.
  • Der Kathodenausbruch des ersten Schnitts besteht überwiegend aus Graphit mit einem niedrigen Gehalt an flüchtigen Bestandteilen und Schwefel. Allerdings reichern sich während der Aluminium-Elektrolyse an bzw. in der Kathodenauskleidung toxische Verbindungen, wie Cyanide, beispielsweise in Form von Natriumcyanid sowie Fluoridverbindungen an. Diese toxischen Verbindungen weisen eine hohe Reaktivität mit Wasser und/oder Luft, insbesondere Sauerstoff, auf, wobei es unter anderem zu Wärmeentwicklung, toxischer Gasentwicklung sowie Entzündungen kommen kann. Kathodenausbruch wird daher in den meisten Ländern als gefährlicher Abfall und Gefahrgut, beispielsweise im Sinne des Europäischen Übereinkommens über die internationale Beförderung gefährlicher Güter auf der Straße (ADR), eingestuft. Insbesondere wird Kathodenausbruch in den Beförderungspapieren mit UN3170 ABFALL, NEBENPRODUKTE DER ALUMINIUMHERSTELLUNG, 4.3, III, (E) bezeichnet und ist als ein Gefahrgut der Klasse 4.3: "Stoffe, die in Berührung mit Wasser entzündbare Gase entwickeln" eingestuft.
  • Die Reaktivität mit Wasser und/oder Luftsauerstoff begrenzt die Verwertbarkeit des Kathodenausbruchs bzw. bedingt aufwändigere Lagerungsbedingungen und Entsorgungswege und erhöht die damit verbundenen Kosten.
  • Derzeit wird weltweit der überwiegende Teil des bei der Aluminiumherstellung anfallenden Kathodenausbruchs auf Halde deponiert. Einerseits werden in Ländern mit weniger strengen Regularien Deponierungen ohne jegliche Weiterbehandlung des Kathodenausbruchs vorgenommen. In anderen Ländern sind vor der Deponierung aufwändige thermische bzw. nasschemische Aufbereitungen als notwendig erkannt worden und Stand der Technik. Gleichzeitig hat Kathodenausbruch aufgrund des hohen Kohlenstoffanteils einen durchaus thermisch interessanten Heizwert, so dass als ein möglicher Entsorgungsweg die Verwendung von Kathodenausbruch als Brennstoff wünschenswert ist.
  • Die Verwendung des als Gefahrgut klassifizierten Kathodenausbruchs als Brennstoff wird allerdings durch den aufwändigen Transport, die Lagerung und die Verarbeitbarkeit begrenzt. Zusätzlich hängt die Nutzbarkeit des Kathodenausbruchs, als Brennstoff sowie dessen Entsorgungskosten, stark von der Größe der Bruchstücke des Kathodenausbruchs ab.
  • Während größere Fraktionen des Kathodenausbruchs für vergleichsweise geringe Kosten zur Verwendung als Brennstoff an einen Verwerter entsorgt werden können, ist es schwierig für kleinere grießähnliche Fraktionen und Stäube des Kathodenausbruchs eine Verwendung zu finden, weil diese wegen ihrer großen Oberfläche, und damit verbundenen höheren Reaktivität, oftmals nicht als Brennstoff in den Verwertungsanlagen genutzt werden können. Die höhere Reaktivität der kleineren Fraktionen des Kathodenausbruchs machen diese gefährlicher und somit schwieriger zu transportieren und zu handhaben. Damit ist die Entsorgung dieser kleinen Fraktionen des Kathodenausbruchs entsprechend aufwändig und teuer.
  • Die WO 2014/026138 A1 beschreibt einen Kathodenausbruch, der mindestens 65 Gew.-% Kohlenstoffgehalt aufweist, sowie dessen Verwendung als Brennstoff. Dabei wird der hohe Kohlenstoffgehalt dadurch erzeugt, dass nur der erste Schnitt des Kathodenausbruchs verwendet wird und optional zu diesem zusätzlich eine kohlenstoffanreichernde Verbindung zugegeben wird, wobei die kohlenstoffanreichernde Verbindung ausgewählt ist aus kompatiblen Hüttenrückständen, wie Nebenprodukten der Graphitanoden oder Graphitkathodenproduktion. Solche Nebenprodukte werden in WO 2014/026138 A1 nicht näher bezeichnet, könnten aber beispielsweise Stäube, Bruchstücke oder Verschnitt aus Produktionsschrott sein. Der hierbei erzeugte mit Kohlenstoff angereicherte Kathodenausbruch weist zwar einen höheren Heizwert auf, ist aber aufgrund der im Kathodenausbruch enthaltenen mit Wasser und/oder Luftsauerstoff hochreaktiven Cyanide und Fluoride weiterhin ein Gefahrgut.
  • Die WO 88/06572 A1 beschreibt Verfahren zur Herstellung von Mineralwolle bei dem unter anderem Briketts, die aus einer Mischung von Kathodenausbruch und Steinkohlenkoks sowie Kokereipech bestehen, als Teil der Brennstoffbeschickung des Mineralwolle-Kupolofens verwendet werden. Hierdurch sollen unerwünschte Siliziumablagerungen im Ofen verringert werden, die während der Herstellung der Mineralwolle entstehen. Dabei soll das Brikett vorzugsweise etwa 40% Steinkohlekoks, 0,45% Kathodenausbruch und 15% Kokereipech enthalten. Nachteilig an diesen Briketts ist, dass diese nur äußerst geringe Mengen an Kathodenausbruch enthalten und damit lediglich geringe Anteile des Kathodenausbruchs als Brennstoff verwertet und entsorgt werden können. Ferner ist das als Bindemittel verwendete Kokereipech aufgrund seiner hohen Klebrigkeit, des Verarbeitungsfensters bei hohen Temperaturen sowie der teils karzinogenen Inhaltsstoffe, wie polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, technisch schwer zu handhaben.
  • Vor diesem Hintergrund bestand die Aufgabe der Erfindung darin, ein Kathodenausbruchsmaterial bereitzustellen, welches eine sichere Lagerung und einen sicheren Transport auch von kleinkörnigeren Fraktionen und Stäuben des Kathodenausbruchs gewährleistet und die im Stand der Technik genannten Nachteile nicht aufweist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung bestand darin, ein einfaches Verfahren zur Herstellung eines solchen Kathodenausbruchsmaterials bereitzustellen.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Kathodenausbruchsmaterial, enthaltend Kathodenausbruch, insbesondere von Aluminium-Elektrölysezellen, und mindestens ein hydrophobes Bindemittel, wobei das hydrophobe Bindemittel ausgewählt ist aus Wachs, einer wachsartigen Verbindung oder Mischungen davon.
  • Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Kathodenausbruchsmaterials sowie die Verwendung des erfindungsgemäßen Kathodenausbruchsmaterials als Brennstoff.
  • Überraschend wurde gefunden, dass durch Zugabe eines hydrophoben Bindemittels, ausgewählt aus Wachs, einer wachsartigen Verbindung oder Mischungen davon zu Kathodenausbruch ein Kathodenausbruchsmaterial erhalten wird, das keine nennenswerte Reaktivität gegenüber Wasser und/oder Luftsauerstoff aufweist, so dass dessen Lagerungs- und Transportstabilität gewährleistet ist. Der Kathodenausbruch wird durch Zugabe der erfindungsgemäß vorgesehenen hydrophoben Bindemittel in einem derart vollständigen Maße inertisiert, dass er nicht mehr als Gefahrgut zu transportierender Abfall gilt. Insbesondere entwickelt das erfindungsgemäße Kathodenausbruchsmaterial bei Kontakt mit Wasser keine entzündbaren Gase mehr und muss somit auch nicht mehr als Gefahrgut der Unterklasse 4.3 transportiert und mit entsprechenden Beförderungspapieren versehen werden. Somit kann das erfindungsgemäße Kathodenausbruchsmaterial ohne Schwierigkeiten gelagert und transportiert werden, was dessen Entsorgung als Brennstoff, vorzugsweise in Kraftwerken sowie bei der Herstellung von Mineralwolle, Zement und Stahl, kostengünstiger und damit wirtschaftlich attraktiver macht als das Deponieren auf Halde. Die Verwertung als Brennstoff ist auch unter ökologischen Gesichtspunkten einem Deponieren auf Halde vorzuziehen.
  • Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass durch die Anwesenheit des hydrophoben Bindemittels, ausgewählt aus Wachs, einer wachsartigen Verbindung oder Mischungen davon, im erfindungsgemäßen Kathodenausbruchsmaterial der Heizwert des Kathodenausbruchs entsprechend des zugegebenen Anteils an hydrophobem Bindemittel weiter erhöht wird, so dass Heizwertschwankungen zwischen verschiedenen Chargen des Kathodenausbruchs bei dessen Verwendung als Brennstoff nicht weiter ins Gewicht fallen. Überraschend wurde festgestellt, dass es mit dem erfindungsgemäßen Kathodenausbruchsmaterial möglich ist, das Verbrennungsverhalten innerhalb großer Freiheitsgrade einzustellen und dieses daher bei Verwendung als Brennstoff für den jeweiligen Verwertungsprozess zu optimieren, so dass es genau an die Ansprüche des entsprechenden Weiterverarbeitungsverfahrens angepasst werden kann.
  • Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sich auch die aufgrund ihrer hohen Oberfläche mit Wasser und/oder Luftsauerstoff hochreaktiven kleinen grießähnlichen Fraktionen und Stäube des Kathodenausbruchs mit dem hydrophoben Bindemittel, ausgewählt aus Wachs, einer wachsartigen Verbindung oder Mischungen davon, agglomerieren und weitgehend inertisieren lassen, so dass auch diese bisher aufgrund der Reaktivität und Größe nur aufwändig und teuer zu entsorgenden Bestandteile des Kathodenausbruchs kostengünstig und sicher als Brennstoff verwendet werden können. So ist beispielweise die Größe des für die Mineralwollherstellung verwendbaren Kathodenausbruchs üblicherweise auf Fraktionen größer 50 mm begrenzt, um eine bestimmte Gasdurchlässigkeit der Ofenbeschickung zu gewährleisten. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich auch die kleinen Fraktionen unter 50 mm des Kathodenausbruchs mittels des hydrophoben Bindemittels, ausgewählt aus Wachs, einer wachsartigen Verbindung oder Mischungen davon, zu einem in der Größe an die Vorgaben des jeweiligen Weiterverarbeitungsverfahrens angepassten Kathodenausbruchsmaterial zu agglomerieren.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird zwischen Kathodenausbruch und Kathodenausbruchsmaterial unterschieden. Kathodenausbruchsmaterial im Sinne der Erfindung bedeutet, dass der Kathodenausbruch mit dem hydrophoben Bindemittel in agglomerierter Form, vorliegt. Agglomeriert bedeutet, dass die einzelnen Partikel des Kathodenausbruchs mittels des hydrophoben Bindemittels zu größeren Verbänden zusammengebunden werden.
  • Das erfindungsgemäße Kathodenausbruchsmaterial enthält Kathodenausbruch, insbesondere von Aluminium-Elektrolysezellen.
  • In Abgrenzung zum Kathodenausbruchsmaterial wird erfindungsgemäß unter Kathodenausbruch der Rohstoff verstanden, der bei dem mechanischen Aufbrechen und Entfernen der Kathodenauskleidung, insbesondere der Kathodenauskleidung einer Aluminium-Elektrolysezelle, erhalten wird. Kathodenausbruch im Sinne der Erfindung wird auch als spent pot lining (SPL) bezeichnet. Der Kathodenausbruch ist frei von einem hydrophoben Bindemittel.
  • In der Praxis wird zwischen dem ersten Schnitt und dem zweiten Schnitt eines Kathodenausbruchs von Aluminium-Elektrolysezellen unterschieden. Während der erste Schnitt nur aus dem Material der Kathodenauskleidung der Elektrolysezelle und damit im Wesentlichen aus Graphit besteht, enthält der zweite Schnitt auch Teile der feuerfesten Auskleidung der Elektrolysezelle.
  • Der Kathodenausbruch im erfindungsgemäßen Kathodenausbruchsmaterial kann aus dem ersten Schnitt oder dem zweiten Schnitt oder einer Mischung des ersten und des zweiten Schnitts bestehen. Damit ist ein Einstellen an die Vorgaben des jeweiligen Weiterverarbeitungsverfahrens angepasstes Kathodenausbruchsmaterial möglich. Beispielsweise kommt bei der Verwendung des Kathodenausbruchs als Brennstoff bei der Herstellung von Zement üblicherweise der erste und zweite Schnitt zum Einsatz, während bei der Herstellung von Mineralwolle üblicherweise nur der erste Schnitt eingesetzt wird.
  • Der erste Schnitt des Kathodenausbruchs umfasst typischerweise 40 bis 75 Gew.-% Kohlenstoff, 10 bis 20 Gew.-% Fluorid, 8 bis 17 Gew.-% Natrium, bis zu 10 Gew.-% Aluminiumoxid, bis zu 5 Gew.-% Aluminium (Metall), 0,01-0,5 Gew.-% Cyanid, bis zu 6 Gew.-% Siliciumdioxid, 1 bis 6 Gew.-% Calciumoxid, 0,1 bis 0,3 Gew.-% Schwefel sowie bis zu 300 ppm polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe.
  • Der zweiten Schnitt des Kathodenausbruchs umfasst typischerweise 0 bis 20 Gew.-% Kohlenstoff, 4 bis 10 Gew.-% Fluorid, 6 bis 14 Gew.-% Natrium, 10 bis 50 Gew.-% Aluminiumoxid, 10 bis 50 Gew.-% Siliciumdioxid, 1 bis 8 Gew.-% Calcium sowie 0,1 bis 0,3 Gew.-% Schwefel.
  • Die Zusammensetzung des ersten Schnitts des Kathodenausbruchs variiert in Abhängigkeit von der Betriebsdauer der Kathodenauskleidung bis zu ihrem Abbruch. Die Zusammensetzung des zweiten Schnitts, die aus der feuerfesten Auskleidung und einem geringen Anteil der Kathodenauskleidung besteht, ist weniger stark von der Betriebsdauer der Kathodenauskleidung abhängig. Ihre Zusammensetzung kann aber durch unterschiedliche Verhältnisse der Anteile von Feuerfestauskleidung und Kathodenauskleidung beim Abbrechen derselben ebenfalls variieren.
  • Eine Mischung aus dem ersten und dem zweiten Schnitt des Kathodenausbruchs umfasst typischerweise 25 bis 35 Gew.-% Kohlenstoff, 12 bis 18 Gew.-% Fluorid, 12 bis 18 Gew.-% Natrium, 12 bis 18 Gew.-% Aluminium, bis zu 0,28 Gew.-% Cyanid, bis zu 3,5 Gew.-% Silicimdioxid, biszu 3,5 Gew.-% Calciumoxid, 0,1 bis 0,3 Gew.-% Schwefel sowie bis zu 165 ppm polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe.
  • Bevorzugt weist eine Mischung des ersten und des zweiten Schnitts des Kathodenausbruchs 50 bis 60 Gew.-% des ersten Schnitts und 40 bis 50 Gew.-% des zweiten Schnitts auf.
  • Der im erfindungsgemäßen Kathodenausbruchsmaterial enthaltene Kathodenausbruch kann in jeder prinzipiell zur Agglomeration mit einem hydrophoben Bindemittel geeigneten Form und Größe vorliegen. Es hat sich jedoch für die Herstellung von Pellets, Gießlingen, Briketts oder Extrudaten als verfahrenstechnisch vorteilhaft erwiesen, wenn der Kathodenausbruch in möglichst homogener Korngröße vorliegt. Durch die Verwendung möglichst homogener Korngrößen des Kathodenausbruchs sind die damit hergestellten Pellets, Gießlinge, Briketts oder Extrudate stabiler und es kann eine gleichmäßige Qualität hinsichtlich der Eigenschaften, wie des Brennwerts, von einem einzelnen Pellet, Gießling, Brikett oder Extrudat zum nächsten einzelnen Pellet, Gießling, Brikett oder Extrudat sichergestellt werden.
  • Bevorzugt weist der Kathodenausbruch daher eine Korngröße von kleiner 50 mm, insbesondere kleiner 30 mm, besonders bevorzugt kleiner 0,2 mm, auf. Der Kathodenausbruch kann mit einer geeigneten Mühle auf die Zielfeinheit gemahlen werden. Die einzelnen Feinheiten können durch Klassieren mittels Siebverfahren in geeignete Fraktionen getrennt werden. Je nach gewünschtem Endprodukt (Pellet, Gießling, Brikett oder Extrudat) können unterschiedliche Korngrößen vorteilhaft sein. So sind beispielsweise für die Herstellung von Pellets und Extrudaten möglichst kleine und homogene Korngrößen von Vorteil, während für die Herstellung von Gießlingen und Briketts auch gröbere Korngrößen und weniger homogenen Korngrößenverteilungen verwendet werden können.
  • Das erfindungsgemäße Kathodenausbruchsmaterial enthält mindestens ein hydrophobes Bindemittel, ausgewählt aus Wachs, einer wachsartigen Verbindung öder Mischungen davon.
  • Unter einem hydrophoben Bindemittel im Sinne der Erfindung wird ein Bindemittel verstanden, welches nicht mit Wasser mischbar ist. Während hydrophobe Bindemittel in Wasser nahezu unlöslich sind, lösen sie sich in organischen, unpolaren Medien.
  • Als Wachse werden üblicherweise Substanzen bzw. Substanzgemische bezeichnet, die bei 20°C knetbar, fest bis brüchig-hart sind, eine grobe bis feinkristalline Struktur aufweisen, farblich durchscheinend bis opak, aber nicht transparent, sind und über 40°C ohne Zersetzung schmelzen sowie wenig oberhalb des Schmelzpunktes bereits dünnflüssig sind bzw. eine geringe Viskosität aufweisen, eine stark temperaturabhängige Konsistenz und Löslichkeit aufweisen sowie unter leichtem Druck polierbar sind.
  • Unter einer wachsartigen Verbindung, wird eine Verbindung verstanden, die ein ähnliches physikalisches Verhalten aufweist, wie ein Wachs.
  • Erfindungsgemäß kommen alle dem Fachmann bekannten natürlichen, teilsynthetischen und synthetischen Wachse als hydrophobe Bindemittel in Frage.
  • Beispiele für natürliche Wachse sind Wollwachs, Chinawachs, Bienenwachs, Bürzeldrüsenfett, Talg, Zuckerrohrwachs, Carnaubawachs, Candelillawachs, Korkwachs, Gurumawachs, Ouicuriwachs, Kuba-Palmenwachs, Espartowachs, Baumwollwachs, Reiskleiewachs, Flachswachs, Torfwachs, Rosenwachs, Jasminwachs, Peetha-Wachs, Myrtewachs, Wachsfeigenwachs Erdölwachs, Erdwachse, Stuffwachs, Aderwachs, Montanwachs, Petroleumwachs sowie Paraffinwachs.
  • Beispiele für teilsynthetische Wachse sind Esterwachse aus langkettigen Wachssäuren mit einwertigen Fett- oder Wachsalkoholen, Amide von Fett- und Wachssäuren, Amidwachse auf Basis von Fettsäuren, wie Distearylethylendiamid, Ethylendistearmide, Stearinsäureamid, Behensäureamid, Erucasäureamid, Ölsäureamid, Sojawachs, Rhizinuswachs, Rapswachs, Phthalamidwachse sowie acylierte Amide von Fett- und Wachssäuren.
  • Beispiele für synthetische Wachse sind Hydrocarbonwachse, Polyolefinwachse, wie Polyethylenwachs, EVA-Wachse und Polypropylenwachs, Polyesterwachse sowie Fischer-Tropsch-Wachse.
  • Bevorzugt ist das Wachs ausgewählt aus Polyolefinwachsen, insbesondere Polyethylenwachsen, oder Paraffinwachsen.
  • Auch der Einsatz üblicher dem Fachmann bekannter wachsartiger Verbindungen ist erfindungsgemäß grundsätzlich möglich.
  • Bevorzugt ist die wachsartige Verbindung ausgewählt aus Estern des Glycerins mit Fettsäuren, vorzugsweise aus linearen Kohlenstoffketten mit 4 bis 26, typischerweise 12 bis 22, Kohlenstoffatomen, Fettsäuren, insbesondere lineare aliphatische Monocarbonsäuren mit 13 bis 21 Kohlenstoffatomen, und Mischungen davon, vorzugsweise aus Stearin.
  • Als besonders praxisgerecht hat sich der Einsatz mindestens eines hydrophoben Bindemittels, ausgewählt aus Wachs, einer wachsartigen Verbindungen oder Mischungen davon, erwiesen, das einen Tropfpunkt nach DIN ISO 2176 zwischen 35°C und 75°C aufweist.
  • Hydrophobe Bindemittel mit einem Tropfpunkt in diesem Bereich weisen eine gute Balance zwischen einer ausreichenden Festigkeit bei Umgebungstemperatur und einem möglichst energieeffizienten Verfahren zur Herstellung des Kathodenausbruchsmaterials auf. Aufgrund des vergleichsweise niedrigen Tropfpunktes ist die Energiemenge, die zugeführt werden muss, um das hydrophobe Bindemittel bei der Herstellung des Kathodenausbruchsmaterials zu verflüssigen geringer als für hydrophobe Bindemittel mit einem Tropfpunkt nach DIN ISO 2176 von über 75°C und mehr.
  • Der Tropfpunkt des hydrophoben Bindemittels kann vorteilhaft abhängig von der Jahreszeit und/oder der Klimazone in dem das Kathodenausbruchsmaterial gelagert und transportiert werden soll ausgewählt werden, um zu gewährleisten, dass das hydrophobe Bindemittel bei Umgebungstemperatur ausreichend fest ist. So ist in einer kälteren Jahreszeit und/oder gemäßigten Klimazone ein hydrophobes Bindemittel mit einem Tropfpunkt nach DIN ISO 2176 im Bereich zwischen 35°C und 45°C bereits ausreichend, während in der wärmeren Jahreszeit und/oder subtropischen und tropischen Klimazonen ein hydrophobes Bindemittel mit einem Tropfpunkt nach DIN ISO 2176 im Bereich zwischen 45°C und 75°C vorteilhaft sein kann.
  • Es ist ferner besonders vorteilhaft, wenn das hydrophobe Bindemittel einen möglichst geringen Anteil an funktionellen Gruppen beinhaltet, vorzugsweise frei von funktionellen Gruppen ist. Unter funktionellen Gruppen werden vorliegend chemische Gruppen verstanden, die sich von reinen Kohlenstoff-Kohlenstoff- oder Kohlenstoff-Wasserstoff-Einfachbindungen unterscheiden. Ein solches hydrophobes Bindemittel bewirkt eine nochmals deutlich herabgesetzte Reaktivität des erfindungsgemäßen Kathodenausbruchsmaterials mit Wasser und/oder Luftsauerstoff, so dass dessen Lager- und Transportstabilität weiter verbessert wird. Ferner erhöht sich durch den höheren Kohlenstoffanteil im hydrophoben Bindemittel auch der Heizwert des Kathodenausbruchsmaterials bei dessen Verwendung als Brennstoff.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Kathodenausbruchsmaterial einen Heizwert zwischen 10500 bis 31000 kJ/kg auf, bestimmt nach der Methode RAL-GZ 724 der Bundesgütegemeinschaft Sekundärbrennstoffe. Durch die Zugabe des hydrophoben Bindemittels, wird der Heizwert des Kathodenausbruchs, der üblicherweise im Bereich von 7500 bis höchstens 10000 kJ/kg liegt, deutlich erhöht.
  • Das erfindungsgemäße Kathodenausbruchsmaterial kann an die Ansprüche des jeweiligen Weiterverarbeitungsverfahrens angepasst werden. Je nach Weiterverarbeitungsverfahren kann das Kathodenausbruchsmaterial vorteilhaft in Form von Pellets, Kokons, Gießlingen, Briketts oder Extrudaten vorliegen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt das Kathodenausbruchsmaterial in Form von Pellets oder Extrudaten vor und enthält 75 bis 90 Gew.-% Kathodenausbruch und 10 bis 25 Gew.-% hydrophobes Bindemittel, bezogen auf das Gesamtgewicht des Kathodenausbruchsmaterials. Kathodenausbruchsmaterial in Form von einfach zu dosierenden Pellets oder Extrudaten ist für die Verwendung des Kathodenausbruchsmaterials als Brennstoff bei Heizwert-geregelten Verbrennungen, beispielsweise bei der Herstellung von Zement im Drehrohrofen oder beim Betrieb eines Kraftwerks, vorteilhaft. Hier kann die Zieltemperatur durch Chargieren mit einem homogenen Brennstoff bekannten Brennwerts verlässlich vorhergesagt werden. Je kleiner die Darreichungsform des Brennstoffs, desto feiner kann die erreichte Temperatur geregelt werden. Das Erreichen einer Zieltemperatur in bestimmten Grenzen kann für die Einhaltung der Qualität des hergestellten Produktes von Bedeutung sein.
  • Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt das Kathodenausbruchsmaterial in Form von Briketts vor und enthält 60 bis 80 Gew.-% Kathodenausbruch und 20 bis 40 Gew.-% hydrophobes Bindemittel, bezogen auf das Gesamtgewicht des Kathodenausbruchsmaterials.
  • Kathodenausbruchsmaterial in Form von Briketts ist für die Verwendung des Kathodenausbruchsmaterials als Brennstoff bei grob Heizwert-geregelten Verbrennungen, beispielsweise in Kupolöfen, die bei der Herstellung von Mineralwolle eingesetzt werden, und in Batchöfen, beispielsweise in Elektrolichtbogenöfen, wie sie bei der Stahlherstellung eingesetzt werden, vorteilhaft. Mit Briketts kann die notwendige Gasdurchlässigkeit der Beschickung aufgrund der im Vergleich zu Pellets gröberen Darreichungsform einfacher erreicht werden, gleichzeitig ist trotz der gröberen Darreichungsform eine verlässliche Einstellung der Zieltemperatur durch Chargieren mit homogenem Brennstoff bekannten Brennwerts möglich.
  • Gemäß einer weiteren alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt das Kathodenausbruchsmaterial in Form von Gießlingen vor und enthält 30 bis 80 Gew.-% Kathodenausbruch und 20 bis 70 Gew.-% hydrophobes Bindemittel, bezogen auf das Gesamtgewicht des Kathodenausbruchsmaterials. Kathodenausbruchsmaterial in Form von Gießlingen ist für die Verwendung des Kathodenausbruchsmaterials als Brennstoff als Brennstoff bei grob Heizwert-geregelten Verbrennungen, beispielsweise in Kupolöfen, die bei der Herstellung von Mineralwolle eingesetzt werden, sowie in Batchöfen, z.B. Elektrolichtbogenöfen, vorteilhaft. Ebenso wie bei der Verwendung von Briketts, geben die Gießformen die Möglichkeit viel Brennstoff dennoch gasdurchlässig in den Prozess einzutragen und ermöglicht dabei gleichzeitig aufgrund des homogenen Brennstoffs mit bekanntem Brennwert eine verlässliche Temperatureinstellung.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kathodenausbruchsmaterials, umfassend die folgenden Schritte:
    1. (a) Bereitstellen von Kathodenausbruch, insbesondere von Aluminium-Elektrolysezellen,
    2. (b) Zerkleinern des Kathodenausbruchs in mindestens einer Zerkleinerungsvorrichtung,
    3. (c) Fraktionieren des Kathodenausbruchs durch eine Trennvorrichtung,
    4. (d) Mischen des Kathodenausbruchs mit mindestens einem hydrophoben Bindemittel, ausgewählt aus Wachs, einer wachsartigen Verbindung oder Mischungen davon, in einer Mischvorrichtung,
    5. (e) Portionieren der in Schritt (d) erhaltenen Mischung,
    6. (f) Entnehmen des Kathodenausbruchsmaterials,
    wobei die Schritte (b) bis (d) unter Inertgas-Atmosphäre durchgeführt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass dieses eine einfache und kostengünstige sowie energieeffiziente Herstellung des Kathodenausbruchsmaterials gewährleistet. Dabei gilt das zu dem erfindungsgemäßen Kathodenausbruchsmaterial oben in Bezug auf einzelne technische Merkmale Gesagte für die übereinstimmenden technischen Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend.
  • Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht das Bereitstellen von Kathodenausbruch, insbesondere von Aluminium-Elektrolysezellen, vor. Das Bereitstellen des Kathodenausbruchs in Schritt (a) kann in jeglicher Form und Größe des Kathodenausbruchs erfolgen und ist nur durch die technischen Möglichkeiten des Transports des Kathodenausbruchs limitiert. So können erfindungsgemäß sowohl grobe Stücke und Platten des Kathodenausbruchs von über 1 m Länge als auch feinste Stäube des Kathodenausbruchs sowie Mischungen mit unterschiedlichsten Korngrößen und Plattengrößen, wie sie üblicherweise beim mechanischen Abbruch einer Kathodenauskleidung anfallen, in Schritt (a) zum Einsatz kommen.
  • In Schritt (b) des Verfahrens wird der Kathodenausbruch in mindestens einer Zerkleinerungsvorrichtung zerkleinert. Dabei kann als mindestens eine Zerkleinerungsvorrichtung grundsätzlich eine dem Fachmann bekannte Zerkleinerungsvorrichtung zum Einsatz kommen. Bevorzugt ist die mindestens eine Zerkleinerungsvorrichtung in Schritt (b) eine Mühle oder ein Brecher. Hier können beispielsweise Kugelmühlen, Prallmühlen, Hammermühlen, Vertikalmühlen oder Schredder zum Einsatz kommen. Die mindestens eine Zerkleinerungsvorrichtung bewirkt eine Verringerung der Platten- und/oder Partikelgröße des Kathodenausbruchs.
  • In Schritt (c) des erfindungsgemäßen Verfahrens findet ein Fraktionieren des Kathodenausbruchs durch eine Trennvorrichtung statt. Erfindungsgemäß können solche Trennvorrichtung eingesetzt werden, die eine homogene Korngröße des Kathodenausbruchsmaterials gewährleisten. Bevorzugt ist die Trennvorrichtung in Schritt (c) ein Sieb. Es sind aber auch andere Trennvorrichtungen grundsätzlich denkbar, mit denen sich ein Feinanteil bestimmter Korngröße des Kathodenausbruchs von dem in Schritt (b) zerkleinerten Kathodenausbruch abtrennen lässt. Dabei kann das Fraktionieren in Schritt (c) vorzugsweise gleichzeitig zum Zerkleinern in Schritt (b) stattfinden. Es ist aber auch denkbar, dass das Fraktionieren erst nach dem Zerkleinern in Schritt (b) stattfindet.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass in Schritt d) ein Mischen des Kathodenausbruchs mit mindestens einem hydrophoben Bindemittel, ausgewählt aus Wachs, einer wachsartigen Verbindung oder Mischungen davon, in einer Mischvorrichtung stattfindet. Solche Mischvorrichtungen sind dem Fachmann grundsätzlich geläufig. Bevorzugt wird das mindestens eine hydrophobe Bindemittel der Mischvorrichtung in Schritt (d) in flüssiger Form zudosiert oder durch Erwärmen in der Mischvorrichtung verflüssigt. Das Zudosieren in flüssiger Form kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das hydrophobe Bindemittel aus einem separaten beheizten Vorratsbehälter der Mischvorrichtung zugeführt wird. Es ist aber auch denkbar, dass sich die Mischvorrichtung selbst erwärmen lässt oder dass das Wachs durch den Energieeintrag des Mischaggregats in der Mischvorrichtung verflüssigt wird.
  • Die Schritte (b) bis (d) des erfindungsgemäßen Verfahrens werden unter Inertgas-Atmosphäre durchgeführt. Dies ist notwendig, da der Kathodenausbruch, insbesondere die in Schritt (b) entstehenden Feinanteile davon, mit Wasser und/oder Luftsauerstoff hochreaktiv sind, wobei es, wie eingangs bereits erläutert, unter anderem zu Wärmeentwicklung, toxischer Gasentwicklung sowie Entzündungen kommen kann. Eine solche Reaktion ist daher unter Sicherheitsaspekten unbedingt zu vermeiden. Als Inertgas können beispielsweise Edelgase, wie Helium, Neon, Argon, Krypton und Xenon, sowie Stickstoff verwendet werden. Aus ökonomischen Gründen ist der Einsatz von Stickstoff erfindungsgemäß bevorzugt.
  • In Schritt (e) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die in Schritt (d) erhaltene Mischung portioniert. Bevorzugt ist das Portionieren in Schritt (e) ausgewählt aus In-Form-Gießen, Brikettieren, Extrudieren oder Pelletieren.
  • Darüber hinaus ist es auch denkbar, die in Schritt (d) erhaltene Mischung in bereits zuvor bereitgestellte feste Kokons des hydrophoben Bindemittels zu füllen. Vorteilhaft an dieser Variante ist, dass auch weniger homogener Kathodenausbruch verarbeitet werden kann. So ist für diese Ausführungsform das Fraktionieren in Schritt (c) nicht unbedingt notwendig. Der hydrophobe Bindemittelkokon kann dabei eine geometrische Hohlform sein, insbesondere eine Hohlkugel oder ein Hohlzylinder, wobei eine Hohlkugel bevorzugt ist. Das Portionieren in Schritt (e) würde für die Ausführungsform Hohlkugel-Kokon derart ablaufen, dass die in Schritt (d) erhaltene Mischung in eine feste hohle Halbkugel aus dem hydrophoben Bindemittel gefüllt wird und die andere feste hohle Halbkugel nach Erwärmen und damit Erweichen des umlaufenden Randes der hohlen Halbkugel anschließend wie ein Deckel auf die mit dem Kathodenbruch gefüllte hohle Halbkugel gesetzt wird, so dass der Kathodenbruch vollständig von dem festen Kokon aus hydrophobem Bindemittel umschlossen ist.
  • Je nach gewünschter Portionierungsart in Schritt (e) des erfindungsgemäßen Verfahrens werden bevorzugt unterschiedliche Anteile von Kathodenausbruch und Bindemittel in Schritt (d) gemischt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Portionieren ein Pelletieren oder Extrudieren und in Schritt (d) wird 75 bis 90 Gew.-% Kathodenausbruch und 10 bis 25 Gew.-% hydrophobes Bindemittel, bezogen auf das Gesamtgewicht der Mischung aus Kathodenausbruch und hydrophobem Bindemittel, gemischt.
  • Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Portionieren ein Brikettieren und in Schritt (d) werden 60 bis 80 Gew.-% Kathodenausbruch und 20 bis 40 Gew.-% hydrophobes Bindemittel, bezogen auf das Gesamtgewicht der Mischung aus Kathodenausbruch und hydrophobem Bindemittel, gemischt.
  • Gemäß einer weiteren alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Portionieren ein In-Form-Gießen und in Schritt (d) werden 30 bis 80 Gew.-% Kathodenausbruch und 20 bis 70 Gew.-% hydrophobes Bindemittel, bezogen auf das Gesamtgewicht der Mischung aus Kathodenausbruch und hydrophobem Bindemittel, gemischt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass in Schritt (f) das Kathodenausbruchsmaterial entnommen wird. Dabei liegt das in Schritt (f) entnommene Kathodenausbruchsmaterial bevorzugt in den oben genannten Darreichungsformen vor.
  • Das Kathodenausbruchsmaterial kann vor dem Entnehmen in Schritt (f) mit einem Trennmittel beaufschlagt werden um ein Verkleben des Kathodenausbruchsmaterials bei Lagerung und Transport zu verhindern. Als Trennmittel sind pulverförmige Substanzen denkbar. Beispielhafte Trennmittel sind Calciumcarbonat, Talkum oder Silikate.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann halb-kontinuierlich oder kontinuierlich durchgeführt werden.
  • Schließlich betrifft die Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Kathodenausbruchsmaterials als Brennstoff, vorzugsweise in Kraftwerken sowie bei der Herstellung von Mineralwolle, Zement und Stahl.
  • Je nachdem in welchem Verwertungsprozess das Kathodenausbruchsmaterial letztendlich als Brennstoff verwendet wird, muss das Verbrennungsverhalten des Kathodenausbruchsmaterials an die unterschiedlichen Ansprüche des jeweiligen Verwertungsprozesses angepasst werden. Dies kann mit dem erfindungsgemäßen Kathodenausbruchsmaterial durch unterschiedliche Einstellung der Anteile von Kathodenausbruch zu hydrophobem Bindemittel, durch Auswahl des hydrophoben Bindemittels sowie durch unterschiedliche Darreichungsformen, wie Granulate, Pellets, Briketts, Kokons, Extrudate und Gießlinge erreicht werden.
  • Für die Verwendung gilt bezüglich der technischen Merkmale des erfindungsgemäßen Kathodenausbruchsmaterials und dessen Ausgestaltung sowie Herstellung das oben in Bezug auf das erfindungsgemäße Kathodenmaterial sowie in Bezug auf das Verfahren zu dessen Herstellung Gesagte entsprechend.
  • Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur näher beschrieben. Das Beispiel dient lediglich der Illustration der Erfindung und schränkt den Schutzumfang der Erfindung nicht ein.
    • Fig. 1
    Schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Kathodenausbruchsmaterial
  • In Figur 1 ist schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Kathodenausbruchsmaterial dargestellt. Zunächst wird eine Stickstoff-inertisierten Mühle mit dem bereitgestellten Kathodenausbruch 2 mit einer Korngröße von kleiner 50 mm über einen Rütteltrichter 3 beaufschlagt. Sollten Bruchstücke zu grob sein oder die Spanne in der Größenverteilung zu groß sein, um an eine Mühle anzudienen, so kann ein ebenfalls Stickstoff-inertisierter Brecher vorgeschaltet werden. Der angediente Kathodenausbruch 2 wirkt dabei gleichzeitig als Staubabscheidung. Anhand eines bodennahen Siebs 4 wird die finale Korngröße, mit der der Feinanteil des Kathodenausbruchs von der Mühle in den beheizten Mischer 5 entlassen wird, bestimmt. In dem Mischer 5 wird verflüssigtes Wachs bis zu einer Konzentration von 20 bis 40 Gew.-% Wachs bezogen auf das Gesamtgewicht des Kathodenausbruchsmaterials über eine Dosiereinheit 6 zugesetzt. Das Wachs wurde zuvor in einem beheizten Wachs-Vorratsbehälter 7 verflüssigt. Wenn das richtige Mischungsverhältnis von Wachs und Kathodenausbruch im Mischer 5 erreicht ist, werden die Mühle 1, der gegebenenfalls vorgeschaltete der Brecher und die Wachszugabe über die Dosiereinheit 6 gestoppt. Die Mischdrehrichtung im Mischer 5 wird geändert und das Kathodenausbruchsmaterial/Wachs-Gemisch in leicht konische Gussformen 8 abgegossen. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur kann das fertige Kathodenausbruchsmaterial aus den Gussformen 8 entnommen werden und liegt damit als Gießling vor.
    • BEISPIELE
  • 1300 kg Kathodenausbruch wurden an eine Vertikalmühle angeliefert. Der Kathodenausbruch war vorsortiert, frei von Störstoffen wie Korund oder Aluminium, und enthielt keine Stücke größer als 5 cm.
  • Der Mahlvorgang fand unter Stickstoffatmosphäre statt und wurde mit einer Zielfeinheit von 10% > 90 µm durchgeführt. Das bedeutet, dass nach Abschluss des Mahlens 90% des Kathodenausbruchs kleiner war als 90 µm, die restlichen 10% lagen ca. zwischen 150 und 200 µm.
    • Pelletherstellung -Variante A - Teilpelletierung
  • 1800 g des gemahlenen Kathodenausbruchs wurden auf einen Pelletierteller gegeben, der auf 70°C vorgeheizt war. Durch die Zugabe von 10 bis 15 Gew.-% Wachs wurden Pellets erhalten, die außen eine feste, runde Schale ausgebildet hatten, innen aber nahezu trockenes Mahlgut enthielten
    • Pelletherstellung -Variante B - Vollpelletierung
  • In einem weiteren Beispiel wurden 1800 g des gemahlenen Kathodenausbruchs auf einen Pelletierteller gegeben, der auf 80°C vorgeheizt war und 17 bis 21Gew.-% Wachs zugegeben. Es wurden Pellets erhalten, die über den gesamten Durchmesser eine Mischung aus Wachs und Mahlgut enthielten. Der Anstellwinkel des Pelletiertellers bei der Herstellung der Pellets betrug 30° zum Lot und die Umdrehungszahl 30 rpm.
  • Die Pelletierung wurde im halb-kontinuierlichen Verfahren betrieben, indem der gemahlene Kathodenausbruch so nachgeführt wurde, wie die Pelletentnahme (über den Rand fallend) massenproportional ausfiel. Auch das vorgewärmte, flüssige Wachs wurde in entsprechendem Verhältnis dosiert (bzw. aufgesprüht). Der Anstellwinkel des Pelletiertellers bei der Herstellung der Pellets betrug 30° zum Lot und die Umdrehungszahl 30 rpm.
  • Sowohl für die Teilpelletierung als auch für die Vollpelletierung wurden im Anschluss Heizwert- und Brennwertanalysen nach RAL-GZ 724 durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
    Figure imgb0001
  • Unter der in Tabelle 1 angegebenen "Originalsubstanz" werden die Pellets verstanden, wie diese aus der Pelletiermaschine entnommen wurden. Als "Trockensubstanz" werden die Pellets verstanden, die nach Entnahme aus der Pelletiermaschine einer Trocknung nach DIN EN 14346 unterzogen wurden.
  • Durch Variation der Rotationsgeschwindigkeit von 20 bis 40 rpm und des Anstellwinkels von 15° bis 30° zum Lot können grundsätzlich Pellets mit verschiedenen mittleren Durchmessern d= 8 bis 17mm der Pellets erhalten werden.
    • Herstellung von Gießlingen
  • In einem weiteren Beispiel wurden Gießlinge gefertigt. Dazu wurde aus dem Feinanteil des Kathodenausbruchs eine Siebfraktion < 3 mm getrennt und verwendet.
  • Es wurden in einem Batchverfahren jeweils ca. 3 kg Paraffin mit einem Schmelzpunkt zwischen 70 und 80 °C verflüssigt und auf ca. 100 °C erhitzt. Die kinematische Viskosität bei 100 °C liegt zwischen 3 und 10 mm2/sec.
  • Unter beständigem Rühren wurden langsam, in kleinen Portionen 10 kg der aus dem Feinanteil des Kathodenausbruchs abgetrennten Siebfraktion < 3 mm zugegeben. Nachdem alles zu einer homogenen Masse verrührt wurde, wurde zunächst ein Gießling á 8 kg abgegossen. Zu der im Mischer verbliebenen Masse wurden wiederum 3 kg Paraffin zugeben und nach dem Aufschmelzen erneut 10 kg Feinanteil der aus dem Feinanteil des Kathodenausbruchs abgetrennten Siebfraktion < 3 mm unter Rühren hinzugefügt. Daraus wurde der zweite Gießling erstellt. Weitere Gießlinge wurden entsprechend durch wiederholen der jeweiligen Schritte erstellt.
  • Die Gießlinge der aus dem Feinanteil des Kathodenausbruchs abgetrennten Siebfraktion < 3 mm enthomogenisieren sich etwas während des Erstarrungsvorgangs. Dies führt zu einer höheren Wachskonzentration in Oberflächennähe des Gießlings.
  • Es kann davon ausgegangen werden, dass, mit zunehmender Feinheit des Kathodenausbruchs, weniger Wachs zur stabilen Formgebung benötigt wird, unabhängig welche Darreichungsform gewählt wird. Die Zugabe von mehr Wachs als für die physikalische Stabilität notwendig ist, ist ein gutes Mittel um den Heizwert nach Belieben zu erhöhen und an die Anforderung der nachfolgenden Verwendung anzupassen.

Claims (15)

  1. Kathodenausbruchsmaterial, enthaltend Kathodenausbruch, insbesondere von Aluminium-Elektrolysezellen, und mindestens ein hydrophobes Bindemittel, dadurch gekennzeichnet, dass das hydrophobe Bindemittel ausgewählt ist aus Wachs, einer wachsartigen Verbindung oder Mischungen davon.
  2. Kathodenausbruchsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es 30 bis 90 Gew.-% Kathodenausbruch und 10 bis 70 Gew.-% hydrophobes Bindemittel, bezogen auf das Gesamtgewicht des Kathodenausbruchsmaterials, enthält.
  3. Kathodenausbruchsmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenausbruch eine Korngröße von kleiner 50 mm aufweist.
  4. Kathodenausbruchsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenausbruch aus dem ersten Schnitt oder dem zweiten Schnitt oder einer Mischung des ersten und des zweiten Schnitts besteht.
  5. Kathodenausbruchsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das hydrophobe Bindemittel einen Tropfpunkt nach DIN ISO 2176 zwischen 35°C und 75°C aufweist.
  6. Kathodenausbruchsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wachs ausgewählt ist aus natürlichem Wachs, teilsynthetischem Wachs oder synthetischem Wachs und Mischungen davon, vorzugsweise aus Polyolefinwachsen, insbesondere Polyethylenwachsen, oder Paraffinwachsen.
  7. Kathodenausbruchsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wachsartige Verbindung ausgewählt ist aus Estern des Glycerins mit Fettsäuren, vorzugsweise aus linearen Kohlenstoffketten mit 4 bis 26, typischerweise 12 bis 22, Kohlenstoffatomen, Fettsäuren, insbesondere lineare aliphatische Monocarbonsäuren mit 13 bis 21 Kohlenstoffatomen, und Mischungen davon, vorzugsweise ist die wachsartige Verbindung Stearin.
  8. Kathodenausbruchsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodenausbruchsmaterial in Form von Pellets, Kokons, Gießlingen, Briketts oder Extrudaten vorliegt.
  9. Kathodenausbruchsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodenmaterial bestimmt nach der Methode RAL-GZ 724 der Bundesgütegemeinschaft Sekundärbrennstoffe einen Heizwert zwischen 10500 bis 31000 kJ/kg aufweist.
  10. Verfahren zur Herstellung eines Kathodenausbruchsmaterials, umfassend die folgenden Schritte:
    (a) Bereitstellen von Kathodenausbruch, insbesondere von Aluminium-Elektrolysezellen,
    (b) Zerkleinern des Kathodenausbruchs mindestens in einer Zerkleinerungsvorrichtung,
    (c) Fraktionieren des Kathodenausbruchs durch eine Trennvorrichtung,
    (d) Mischen des Kathodenausbruchs mit mindestens einem hydrophoben Bindemittel, ausgewählt aus Wachs, einer wachsartigen Verbindung oder Mischungen davon, in einer Mischvorrichtung,
    (e) Portionieren der in Schritt (d) erhaltenen Mischung,
    (f) Entnehmen des Kathodenausbruchsmaterials,
    wobei die Schritte (b) bis (d) unter Inertgas-Atmosphäre durchgeführt werden.
  11. Verfahren zur Herstellung eines Kathodenausbruchsmaterials nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Zerkleinerungsvorrichtung in Schritt (b) eine Mühle oder ein Brecher ist.
  12. Verfahren zur Herstellung eines Kathodenausbruchsmaterials nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennvorrichtung in Schritt (c) ein Sieb ist.
  13. Verfahren zur Herstellung eines Kathodenausbruchsmaterials nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine hydrophobe Bindemittel der Mischvorrichtung in Schritt (d) in flüssiger Form zu dosiert wird oder durch Erwärmen in der Mischvorrichtung verflüssigt wird.
  14. Verfahren zur Herstellung eines Kathodenausbruchsmaterials nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Portionieren in Schritt (e) ausgewählt ist aus In-Form-Gießen, Brikettieren, Extrudieren oder Pelletieren.
  15. Verwendung des Kathodenausbruchsmaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Brennstoff, vorzugsweise in Kraftwerken sowie bei der Herstellung von Mineralwolle, Zement und Stahl.
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