Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Schüttgut aus porösen Körnern durch Aufschäumen von Partikeln eines Schüttgutes zufolge Hitzeeinwirkung. Die einzelnen Partikel des Ausgangsschüttgutes bestehen dazu aus einem bei erhöhter Temperatur zähflüssig werdenden Material in welchem eine bei erhöhter Temperatur gasförmig werdende Komponente eingeschlossen, angelagert oder enthalten ist.

Mit „Schüttgut" ist in diesem Sinne eine Ansammlung von festen, nicht miteinander verbunden Partikeln bzw. Körnern gemeint, wobei die einzelnen Partikel bzw. Körner im Verhältnis zur Gesamtmenge klein sind. Aus Gründen der besseren Unterscheidbarkeit werden des weiteren die noch nicht aufgeschäumten Einzelteilen eines Schüttgutes mit „Partikel" bezeichnet, die aufgeschäumten Einzelteile eines Schüttgutes hingegen mit „Körner".

Ein sehr wichtige Anwendungsfall ist die Herstellung eines Schüttgutes mit geringer Dichte und hoher Wärmeisolationsfähigkeit durch Aufschäumen eines Schüttgutes aus einem mineralischem Material wie beispielsweise Perlit oder Pechstein. Diese weisen einen hohen Anteil an netzwerkbildendem („glasbildendem") Material - bei den genannten Beispielen Siθ ₂ - sowie eine nennenswerten Anteil an eingeschlossenem Kristallwasser auf, welches bei Erwärmung verdampft und somit in diesem Beispiel die „bei erhöhter Temperatur gasförmig werdende Komponente" darstellt.

Am Beispiel Perlit oder Pechstein wird beim ideal verlaufenden Prozess des Aufschäumens im Laufe der Erwärmung erst das Oberflächenwasser, dann überschüssiges Kristallwasser aus den einzelnen noch festen Partikeln verdampft. Dann steigt die Temperatur so weit dass das Mineral zähflüssig wird. Durch den noch eingeschlossenen, weiter verdampfenden Anteil an verbliebenem Kristallwasser wird das Mineral aufgeschäumt. Sobald das gewünschte, geringe spezifische Gewicht der nun zu Körnern angeschwollenen Partikel erreicht wird, wird abgekühlt, und damit das Mineral in passend porösem Zustand wieder verfestigt.

Bei industriell angewandten Aufschäumverfahren wird dieser ideale Prozessverlauf jedoch nur mit einer sehr geringen Zuverlässigkeit erreicht. Das Endprodukt ist in den seltensten Fällen eine homogene Schüttung aus gleichartig aufgeblähten Körnern. Zumeist enthält das Endprodukt in störend hohem Maß und in störend geringer Vorhersehbarkeit einerseits gar nicht oder nur gering aufgeschäumte Partikel, anderseits auch staubartige Kornteile die durch das Zerbrechen größerer Körner entstanden sind, welche zuviel auf-

geschäumt wurden. Ein weiteres erhebliches Problem erwächst daraus, dass Körner während ihrer zähflüssigen Fase sowohl miteinander, als auch mit Anlagenteilen verkleben. Um diese Nachteile zu vermindern sind mehrere Ansätze bekannt:

Beispielsweise ist aus der EP 0 431 112 B1 bekannt das Rohmaterial in Form von Partikeln in einem bestimmten Größenbereich zuzuführen. Damit werden jene Probleme vermindert, welche sich daraus ergeben, dass sich in der gleichen heißen Umgebung kleinere Partikeln wesentlich rascher erhitzen als größere Partikel.

Aus der US 4,931 ,211 ist bekannt, den Erwärmungsvorgang der Partikel in zwei Stufen zu unterteilen. In einer nicht so heißen ersten Stufe wird definiert Oberflächenwasser und Kristallwasser entzogen. In einer heißeren zweiten Stufe wird aufgeschäumt.

Aus der EP 0 225 074 B1 ist bekannt, die Körner nach dem Blähvorgang sofort durch Blasen von Kühlmittel rasch abzukühlen, und dabei auch aus der Heizzone zu entfernen.

Auch bei Anwendung all dieser Methoden ist es derzeit für viele potentielle industrielle Anwendungen nicht möglich ein homogenes leichtes Schüttgut aus gleichartig aufgeschäumten Mineralpartikeln in ausreichend guter und sicherer Qualität herzustellen.

Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht darin, den Prozess des Aufschäumens über das mit den zuvor genannten Methoden erreichbare Maß hinaus dahingehend zu verbessern, dass damit ein wesentlich homogeneres Schüttgut aus gleichartig aufgeschäumten Körnern gewonnen wird.

Zum Lösen der Aufgabe werden zusätzlich zur konsequenten Anwendung der zuvor beschriebenen bekannten Methoden aus dem aufzuschäumenden Schüttgut vor jener Erwärmungsstufe in welcher aufgeschäumt wird, und nach jener Erwärmungsstufe in welcher das aufzuschäumende Schüttgut vorgeheizt wird ohne dabei zu schmelzen, Staubteile und Partikel deren Größe eine bestimmte Mindestgröße unterschreitet, ausgesiebt.

Der damit erzielte Effekt sowie sinnvolle Weiterentwicklungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden an Hand eines konkreten Ausführungsbeispieles unter Zuhilfenahme des in Fig. 1 dargestellten Ablaufschemas erläutert.

Fig. 1 : zeigt ein beispielhaftes Ablaufschema für eine konkrete Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Das in die Schütte 1 zur Verarbeitung angelieferte Rohmaterial ist ein Schüttgut mit 0,4 bis 0,6 mm Korngröße aus Pechstein. Chemisch gesehen besteht es zu etwa 72% Siθ2, sowie etwa 12 % AI ₂ Cb; der Rest ist Wasser und Verunreinigungen.

Mit dem Becherförderwerk 2 werden etwa 2,5 kg dieses Materials pro Minute in den Verarbeitungsprozess eingebracht. An einem ersten Sieb 3 werden allfällig vorhandene Partikel die größer als 0,6 mm oder kleiner als 0,4 mm sind, aussortiert. Die zu großen Partikel würden zu wenig aufschäumen, die zu kleinen Partikel würden zu rasch und zu viel aufschäumen und in weiterer Folge zum Verkleben mit anderen Körnern, oder mit Anlagenteilen führen, oder nach der Verfestigung zerbrechen und Staub bilden.

Vom Sieb 3 gelangt das Schüttgut in den Drehrohrofen 4. Sein Ofeninnenraum hat die Form eines Kreiszylinders mit einer Länge von etwa sieben Meter, einem Durchmesser von 480 mm, und einer von der Eingangsseite zur Ausgangsseite hin um etwa fünf Winkelgrade geneigten Achse. Die Mantelfläche des Ofeninnenraums - im wesentlichen ein Rohr aus Stahl - dreht sich mit etwa 40 Umdrehungen pro Minute um ihre Längsachse. Entlang seiner Länge ist der Drehrohrofen in mehreren aufeinanderfolgenden temperaturgeregelter Heizzonen elektrisch beheizt. Im ersten Teil des Rohres beträgt die Temperatur 220 bis 320 ⁰ C, im zweiten Teil 280 bis 360 ⁰ C. Im ersten Teil des Ofens wird vor allem das an der Oberfläche der Partikel anlagernde Wasser verdampft. Im zweiten Teil des Ofens wird Kristallwasser, also Wasser aus dem inneren der Partikel verdampft. Es wird auch etwas Frischluft durch den Drehrohrofen geleitet. Damit wird die Trocknung des Schüttgutes verbessert. Die richtige Wirkung des Drehrohrofens, nämlich Wasserentzug bis zu passenden Restmenge, ohne dabei die Partikel zu verletzen, ist für den erfahrenen Betreuer der Anlage am unmittelbarsten am Farbton der aus dem Drehrohrofen herauskommenden Partikel zu beurteilen.

Es ist sinnvoll die Abwärme des aus dem Drehrohrofen 4 strömenden Luft-Wasser- Gemisches zu nutzen. Der Wasseranteil kann auch durch Leitung an entsprechend kühlen und großen Oberflächen aus der Abluft herauskondensiert werden. Beispielsweise kann man die Abluft aus dem Drehrohrofen durch das an Sieb 3 ausgesiebte Schüttgut führen.

Nach dem das Schüttgut den Drehrohrofen 4 passiert hat, wird es erfindungsgemäß am Sieb 5 erneut gesiebt. Dadurch wird Staub entfernt, welcher vor dem Trocknen des Schüttgutes scheinbar unlösbarer Teil an der Oberfläche dieser Partikel war, und es werden die einzelnen - für die Weiterbehandlung zu kleinen - Teile jener Partikel des Schüttgutes entfernt, welche während des Durchlaufes im Drehrohrofen zerbrochen

sind. Die ausgesiebten Partikel würden auf Grund ihrer Kleinheit beim nachfolgenden Aufschäumprozess zu rasch aufschäumen und zum Verkleben der Anlage, sowie zu störendem Staub in Folge Zerbrechens auf Grund mangelnder Festigkeit führen. Erfahrungsgemäß werden an diesem Sieb 5 ein bis drei Prozent der Masse des eingebrachten Schüttgutes ausgesiebt.

Sowohl das Sieb 5, als auch die nachfolgenden Teile der Förderung des aufzuschäumenden Schüttgutes sollten von der Umgebungsluft weitgehend isoliert betrieben werden, damit das im Drehrohrofen 4 erhitzte Schüttgut weder unnötig abkühlt noch einen unkontrollierten Feuchtigkeitsaustausch mit der Umgebungsluft ausführt.

Nach dem Sieb 5 wird das aufzuschäumende Schüttgut über ein Becherförderwerk 6 an die am oberen Ende befindliche Füllöffnung 7 des Schachtofens 8 gebracht, dessen O- feninnenraum die Form eines schlanken stehenden Kreiszylinders hat. Die Füllöffnung 7 ist als Konusverteiler ausgebildet. Das heißt das oberen Ende der Schachtofens ist einerseits durch einen axial angeordneten sich nach unten verbreiternden, kegel- oder kegelstumpfförmig ausgebildeten Teil abgeschlossen, andererseits durch einen Teil, welcher einerseits diesen ersten Teil an seiner Mantelfläche in einem Abstand dazu umschließt, andererseits an der Innenmantelfläche des Ofeninnenraumes anliegt. Das Schüttgut rieselt in dem eine Kegelstumpf-Mantelfläche bildenden Spalt zwischen diesen beiden Teilen nach unten. Es gelangt so am oberen Ende, nahe an der Mantelfläche in den Ofeninnenraum des Schachtofens 8.

Das Rieseln des Schüttgutes durch die Füllöffnung 7 kann sehr gleichmäßig eingestellt werden, indem der Spalt mit einer Dicke eingestellt wird, welche nur knapp über der Größe der durchzuführenden Partikel liegt, und indem der kegelstumpfförmige Teil des Konusverteilers mit einer Vibration beaufschlagt wird. Die Verwendung eines derartigen Konusverteilers ist natürlich auch dann zum Aufschäumen sinnvoll, wenn entsprechend vorbekannten Verfahren aufgeschäumt wird, ohne dass unmittelbar vor dem letzten Erhitzungsvorgang noch gesiebt wird.

Der Schachtofen 8 hat eine Höhe von 7,3 Metern und einen Innendurchmesser von 30 cm. Er ist über seine Höhe in sieben einzelnen temperaturgeregelten Heizzonen elektrisch beheizt. Mit sinkender Höhe steigt die Temperatur von 800 ⁰ C auf 1100 °C. Die aufzuschäumenden Partikel des oben eingebrachten Schüttgutes fallen im Schachtofen nach unten. Dabei werden sie in jenen Temperaturbereich erhitzt, in welchem ihr Zustand teigig wird, und sie in Folge des Verdampfens von noch enthaltenem restlichem Kristallwasser aufschäumen. Nahe des unteren Endes des Schachtofens 8 sollte eine

verschließbare öffnung für eine Probenentnahme angebracht sein. Unten ankommende, durch Aufschäumen aus Partikeln gebildete, noch teigige aufgeschäumte Körner können dort mit einem eingesteckten löffelartigen Gerät entnommen werden und ihr Aufschäumgrad in weiterer Folge, optisch und durch Gewichts- und Volumenmessung beurteilt werden. Sind die entnommenen Körner zu leicht, also zu viel aufgeschäumt, dann wird entweder die Temperatur verringert, oder die eingebrachte Schüttgutmenge pro Zeit erhöht. Sind die entnommenen Körner zu schwer, so muss die Temperatur erhöht werden, oder es muss die pro Zeiteinheit eingebrachte Menge an Schüttgut vermindert werden.

Am unteren Ende endet die Mantelfläche des Schachtofen 8 in einer sich nach unten hin verengenden, von außen wassergekühlten Kegelstumpf-Mantelfläche 9. An dieser Fläche werden auftreffende, aufgeschäumte Körner erstmals abgekühlt. Die Temperatur dieser Fläche sollte möglichst kühl, jedenfalls unter der Verglasungstemperatur des Materials des Schüttgutes sein.

An ihrer unteren Randlinie geht diese Fläche in eine rohrförmige Entnahmeleitung 11 über, welche mit ihrem anderen Ende in eine dem Transport und der weiteren Kühlung der aufgeschäumten Körner dienende Rohrleitung 12 mündet. Die Einmündung der Leitung 11 in die Rohrleitung 12 sollte unter einem spitzen Winkel zur Transportrichtung in der Rohrleitung 12 ausgebildet sein.

In der Rohrleitung 12 strömt Frischluft, welche an einem Ende durch ein Gebläse 10 über ein Injektorrohr eingeblasen wird. Dieses Injektorrohr verläuft koaxial zur Rohrleitung 12, sein Außendurchmesser ist kleiner als der Innendurchmesser der Rohrleitung 12 und sein Ende sollte über die Einmündungsstelle der Entnahmeleitung 11 hinausragen. Damit wird erreicht, dass Luft vom Offeninnenraum des Schachtofens 8 aus in die Rohrleitung 11 strömt und nicht umgekehrt. Idealerweise ist der Injektor in seiner Längsrichtung, also in der dortigen Richtung der Leitung 12 verschiebbar, sodass seine Lage bezüglich der Einmündungsstelle der Entnahmeleitung 11 feinjustiert werden kann. Es hat sich nämlich gezeigt, dass die optimale Lage unter anderem auch vom Luftdruck und eventuell auch von der Temperatur der Umgebungsluft abhängt, und somit von Zeit zu Zeit angepasst werden sollte. Diese Ausführung der Entnahmestelle aus dem Schachtofen ist natürlich auch dann vorteilhaft, wenn entsprechend vorbekannten Verfahren aufgeschäumt wird, ohne dass unmittelbar vor dem letzten Erhitzungsvorgang noch gesiebt wird.

Das in die Rohrleitung 12 gelangende aufgeschäumte Schüttgut wird dort weiter gekühlt und verfestigt sich. Die Strömungsgeschwindigkeit in der Rohrleitung 12 sollte ausreichend hoch sein, damit dort keine Ablagerung stattfindet. Die Rohrleitung 12 kann auch ein paar Krümmungen aufweisen; damit wird ein Zusammenkleben von einzelnen Körnern gegenüber einer geraden und damit mehr laminaren Strömung besser vermieden. Bei einem Rohrdurchmesser von 20 cm, einer Strömungsgeschwindigkeit von 17 m/sec und einer Länge von etwa 10 m werden sehr gute Ergebnisse erzielt.

Am Ende der Rohrleitung 12 wird das aufgeschäumte Schüttgut in - idealerweise trichterförmige - Auffangbehältnisse 14 mit darunter angeschlossenen Säcken 15 geschleudert. Durch die als Siebflächen ausgebildeten Wände der Säcke 14 wird die aus der Rohrleitung 12 strömende Luft abgeführt. Es ist sehr vorteilhaft, mehrere Auffangbehältnisse 14 in Strömungsrichtung der ausströmenden Luft aneinander angrenzend aufzustellen. Da spezifisch leichtere Körner besser von der strömenden Luft getragen werden, als spezifisch schwerere Körner, deren Bewegung stärker durch ihre Masse bestimmt ist, ergibt sich damit eine Gewichtssortierung der aufgeschäumten Körner. Am Ende der Rohrleitung 13 kann auch eine Art Falle 13 für mangelhaft oder gar nicht aufgeschäumte Körner ausgebildet werden. Diese Körner werden auf Grund ihrer Dichte eher am unteren Querschnittsbereich der Rohrleitung 12 entlangbewegt, und können durch eine untere Mantelöffnung und einen daran anschließenden von unten in die Rohrleitung 12 hineinragenden Einschubteil gut aussortiert werden.

Natürlich sind innerhalb des Erfindungsgedankens sehr viele Abwandlungen wie beispielsweise andere Ofenprinzipien sowie andere Transport- Zuführuhgs- und Abführungsmethoden für das Schüttgut möglich. Es ist natürlich auch nicht unbedingt erforderlich das angelieferte Schüttgut direkt vor dem Eintritt in den Drehrohrofen 4 noch zu filtern.

Die beschriebenen Betriebsparameter beziehen sich auf ein Schüttgut aus Pechstein. Sie treffen zumindest annähernd für das Aufschäumen von vielen silikatreichen Mineralien vulkanischen Ursprungs mit hohem Verglasungsanteil und eingeschlossenem Kristallwasser zu. Bei entsprechender Anpassung der Betriebsparameter wie Menge pro Zeit, Temperaturen und Geschwindigkeiten ist das beschriebene Verfahren für das Aufschäumen einer Fülle weiterer Materialien abwandelbar.

Natürlich braucht das unter Hitzeeinwirkung gasförmig werdende Medium nicht unbedingt Wasser zu sein. Es können auch andere als Treibmittel wirkende Substanzen, wie

beispielsweise bei Normaltemperatur gebundenes CO ₂ oder Titanhydrid vorgesehen werden. Das aufgeschäumte Material muss nicht unbedingt ein mineralisches Material sein. Es kann beispielsweise auch ein Metall sein, in welches in einem früheren Arbeitsschritt Treibmittelpartikel eingelagert worden sind. Es kann auch ein organisches Material sein, welches mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens zu Flocken oder Kügelchen aufgeschäumt wird.

Es ist relativ schwierig, den für den konkreten Aufschäumvorgang angewendeten Schachtofen 8 bezüglich der Produktionsmenge pro Zeit in sehr verschiedenen Be- triebszuständen zu steuern. Es ist hingegen sehr unkompliziert den für die Vortrocknung zuständigen Drehrohrofen 4 in einem weiten Kapazitätsbereich richtig zu steuern. Um eine Aufschäumanlage daher gut an wechselnde Auslastungen anpassen zu können, ist es daher sinnvoll, einen einzigen leistungsfähigeren Drehrohrofen 4 für eine Mehrzahl von Schachtöfen 8 vorzusehen, von denen dann je nach Erfordernis eine kleinere oder größere Anzahl in Betrieb genommen wird oder nicht.