Verfahren und Vorrichtung zur Härtung bituminös gebundener Formkörper, insbesondere Briketts Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Härtung von bituminös gebundenen, kleinstückigen Formkör pern, insbesondere Briketts, ferner eine Anwendung des Verfahrens und eine Vorrichtung zur Durchfüh rung des Verfahrens.
Zur Herstellung bituminös gebundener Formkörper wie Kohlen- oder Erzbriketts ist schon vorgeschlagen worden, für die Aufbereitung der bituminösen Briket- tiermischung das sogenannte Impact-Mischverfahren zu verwenden, welches für die Aufbereitung von bitu minösen Gesteinsmischungen für den Strassenbau be kannt geworden ist.
Nach diesem Mischverfahren wer den die abgestuften Fraktionen von staubförmigen bis körnigen Feststoffen in einem geschlossenen Mischbe hälter mittels an zwei gegenläufig drehenden Wellen befindlichen Wurfschaufeln hochgewirbelt und im obern Behälterteil in einen vorübergehenden und auf gelockerten Schwebezustand versetzt, in welchem sie von oben her mit unter hohem Flüssigkeitsdruck zer stäubtem, verflüssigtem Bindemittel besprüht werden. Durch die Anordnung der Wurfschaufeln werden die Feststoffe wiederholt emporgewirbelt, im Schwebezu stand besprüht und fallen dann wieder herab um von neuem von den Schaufeln erfasst und hochgewirbelt zu werden.
Sämtliche Feststoffpartikel werden in dieser Weise individuell mit einer dünnen Schicht von Binde mitiel allseitig und gleichmässig umhüllt. Dieses Misch verfahren ist z. B. in der deutschen Patentschrift Nr. 933 497 beschrieben.
In der so hergestellten Mischung ist, im Gegensatz zu den bekannten Knetmischverfahren, kein freies und überschüssiges Bindemittel zwischen den einzelnen Feststoffpartikeln vorhanden, sondern der gesamte Bindemittelanteil befindet sich im Gemisch ausschliess- lich in Form von feinsten, die einzelnen Partikel um hüllenden Häutchen. Es sind infolgedessen auch im Gemisch zwischen den einzelnen Partikeln mit Luft ge füllte, kleine Hohlräume vorhanden, die regelmässig über die Masse verteilt sind.
Auch nach Pressung des Gemisches zu Formkörpern verbleibt in dem verpress- ten Körper ein gewisser Hohlraumgehalt in Form kleinster, miteinander in Verbindung stehender und regelmässig im ganzen Körper verteilter Luftzellen.
Dieser Hohlraumgehalt soll etwa 5 bis 20 % des Volumens des Körpers betragen. Die verpressten Formkörper werden alsdann während einer bestimmten Zeitdauer in einer Heizkammer der Einwirkung von Luft bei einer Temperatur von etwa 200 C ausgesetzt. Während dieser Wärmebehandlung vollziehen sich in den dünnen Bitumenfilmen, welche die Feststoffparti- kel einhüllen, durch die Einwirkung des Luftsauerstof fes auf das Bitumen gewisse Veränderungen chemi scher und molekularer Art, wodurch das anfänglich weiche und schmelzbare Bindemittel allmählich bis zur Unschmelzbarkeit gehärtet wird.
Unter Härtung soll also hier die Umwandlung der anfänglich thermoplasti schen Formkörper in einen völlig temperaturunemp findlichen festen und harten Zustand verstanden wer den. Das Bindemittel in den Formkörpern wird durch die hier beschriebene Härtung nicht nur härter, son dern unschmelzbar und in Lösungsmitteln unlöslich.
Mit diesem Verfahren ist es ohne weiteres möglich, kleinere Formkörper, wie Briketts einzeln oder in klei nen Mengen zu härten, und ausserdem im Falle von Kohlenbriketts, eine Umwandlung zu rauch- und russ losei Verbrennung dieser Briketts zu erzielen.
Schwierigkeiten treten jedoch auf, wenn versucht wird, grössere Brikettmassen zu härten, wie es prak tisch in Brikettierwerken mit modernen Walzenpressen erforderlich wird, die eine Stundenleistung von 10 und mehr Tonnen Briketts für ein einziges Pressenaggregat aufweisen. Beim Härten von Briketts in grossen Hau fen hat es sich gezeigt, dass eine unverhältnismässig lange Zeidauer erforderlich ist, um die in Haufen anfal- lenden Brikette zu härten. Selbst nach mehrstündiger Wärmebehandlung schreitet die Härtung des Bindemit tels nur langsam in das Innere eines Briketthaufens hinein fort.
Während die äussern Bereiche eines Bri ketthaufens schon hart sind, bleiben die inneren Zonen des Haufens noch weich. Die Ursache für diese Erscheinung ist darin zu suchen, dass der bei Beginn der Härtung im Poren raum der Briketts oder andern Formkörpern und in den Zwischenräumen zwischen den Briketts vorhan dene Luftsauerstoff nicht ausreicht, um die Härtung der Bindemittelfilme vollständig zu bewirken. Vielmehr muss ständig Luftsauerstoff in die Poren hinein nach- geliefert werden.
Diese der Erfindung zugrundeliegende Erkenntnis lässt verstehen, warum die Briketts in den inneren Zonen eines Briketthaufens noch lange weich bleiben, während die Briketts in den äusseren Schich ten des Haufens schon vollkommen gehärtet, d. h. un- schmelzbar und in Lösungsmitteln unlöslich geworden sind.
Bei der Härtung einzelner Briketts kann der Luft sauerstoff verhältnismässig leicht von allen Seiten her in den Porenraum des Briketts diffundieren; wenn es sich jedoch um die Härtung von Briketts oder andern kleinen Formkörpern in grossen Haufen handelt, kann der von aussen kommende Luftsauerstoff die Poren räume der im Innern des Haufens befindliche Briketts viel langsamer erreichen als die Porenräume der Bri ketts in der äussern Zone des Haufens.
Der Erfindung liegt ferner der Gedanke zu Grunde, dass die für die Härtung erforderliche Erneuerung des Sauerstoffs im Innern eines Haufens von verpressten Formkörpern nicht sich selbst überlassen bleibt, son dern in kurzer Zeit und in wirksamer Weise künstlich bewerkstelligt werden soll.
Das erfindungsgemässe Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die aus einer Mischung von Fest stoffteilchen mit schmelzbarem bituminösem Bindemit tel hergestellten und verpressten Formkörper, die einen regelmässig verteilten Hohlraumgehalt von 5-20 % des Volumens der Körper aufweisen,
als Schüttmasse in einen Wärmebehandlungsbehälter gebracht werden und ein sauerstoffhaltiges Gas mit einer Temperatur von 150-200 C über den ganzen Querschnitt der Masse durch diese hindurchgeführt wird, wobei durch Reak tion des Sauerstoffs mit dem Bindemittel in den Form körpern ein exothermer Oxydationsprozess in der Formkörpermasse eingeleitet wird, bis die Umwand lung des Bindemittels so weit fortgeschritten ist, dass es ganz oder teilweise unschmelzbar und unlöslich ge worden ist,
und die Vorrichtung ist gekennzeichnet durch einen Wärmebehandlungsbehälter mit an gegen überliegenden Enden desselben angeordneten Einlass und Auslasschleusen für die zu härtende Formkörper masse und mit am einen Behälterende vorgesehenem Einlass für ein sauerstoffhaltiges Gas und am entge gengesetzten Behälterende vorgesehenem Auslass für Abgas.
Nach einer bevorzugten Ausführung des Verfah rens zur Behandlung solcher Formkörper, insbesondere von Steinkohlenbriketts, wird die Brikettiermischung aus Feinkohle und bituminösen Bindemittel zweckmäs- sig mit Hilfe des schon erwähnten Impact Mischver fahrens, beispielsweise unter Verwendung von etwa 4 Gew.o/o Bitumen 80, aufbereitet.
Die Brikettiermi- schung gelangt zu einer Brikettierpresse, welche Bri ketts unter solchem Druck und bei solcher Presstempe- ratur presst, dass in den verpressten Briketts ein Hohl- raumgehalt von etwa 5-20 % des Volumens der einzel- nen Briketts verbleibt.
Vorzugsweise werden kleinere Briketts als die bisher üblichen Eierbriketts hergestellt, z. B. etwa Briketts von Nussgrösse oder in Form von kleinen prismatischen Stücken. Damit diese Briketts praktisch rauch- und russlos verbrennen, werden sie einem Härteprozess unterworfen.
Die fertig gepressten, noch heissen oder gegebenenfalls vorgewärmten Bri ketts werden beispielsweise in Chargen von einigen Tausend Kilogramm in Behältern oder Heizkammern gebracht, an deren einem Ende eine oder mehrere zu einer Saugpumpe führende Saugleitungen angeschlossen sind, während am entgegengesetzten Ende der Behälter mit der Aussenluft in Verbindung steht.
Um die Brikettcharge zu härten soll die Atmo sphäre im Innern des Behälters etwa 170 C betragen. Dann wird die Saugpumpe in Betrieb gesetzt. Luft wird am einen Ende des Behälters abgesaugt, während fri sche Luft am andern Ende in den Behältern eingesaugt wird. Beträgt die Temperatur der Brikettcharge im Be hälter weniger als 170 , so wird anfänglich heisse Luft von mindestens 170 in den Behälter hineingesaugt, bis die Brikettcharge diese Temperatur erreicht hat.
Durch den am einen Behälterende ausgeübten Sog wird die Luft aus den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Briketts abgeführt und heisse Luft von 170 strömt vom andern Ende her durch die Brikettcharge hin durch und gelangt auf diese Art gleichmässig zu allen Briketts im Behälter.
Es hat sich nun gezeigt, dass, wenn sie auf z. B. 170-190 erwärmte Luft in die Poren der geformten Briketts dringt, und mit den dünnen Bitumenfilmen, welche die Feststoffpartikel des Briketts umhüllen, in Berührung kommt, ein exothermer Reaktionsprozess im Innern der Briketts einsetzt und die Temperatur in der Brikettmasse ansteigt. Wird beispielsweise die Luft oben im Behälter abgesaugt, unten im Behälter Frisch luft mit einer Temperatur von 170 -190 zugeführt, so tritt anfänglich an der Luftzutrittsstelle zur Brikett charge eine deutliche Temperatursteigerung auf, die zonenweise in Richtung des Luftstromes von unten nach oben fortschreitet.
Bei einer Temperatur von 150 -200 erfolgt im allgemeinen die Härtung des Bindemittels in der Brikettcharge, d. h. im anfänglich weichen und schmelzbaren Bindemittel vollziehen sich unter der Einwirkung des Luftsauerstoffs Veränderungen chemischer und molekularer Art, wodurch das Binde mittel allmählich bis zur Unschmelzbarkeit gehärtet und unlöslich wird. Da die exotherme Reaktion nach vollständiger Härtung des Bindemittels aufhört, erfolgt in den bereits gehärteten Zonen der Brikettcharge wie der eine langsame Abkühlung.
Um zu verhindern, dass durch die exotherme Reaktion im Innern der dem Härtungsprozess ausge setzten Brikettmasse nicht so viel Wärme entwickelt wird, dass die Temperatur so hoch steigt, dass ein Ver brennen der Briketts erfolgt, müssen Massnahmen ge troffen werden, damit die frei werdende Wärmemenge und der sich ergebende Temperaturanstieg kontrolliert werden können.
Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die abgesaugte Luft, die einen Teil ihres Sauerstoffge haltes für die Oxydation abgegeben hat, im ständigen Kreislauf wieder in den Behälter zurückgeführt wird, wobei gegebenenfalls diese Luft vor dem Wiedereintritt gekühlt wird, beispielsweise durch zersprühtes Wasser. Die Wassertröpfchen verdunsten in dem heissen Abgas und durch die entzogene Verdunstungswärme kühlt sich das Abgas ab. Der entstehende Wasserdampf, der sich dann auch im Abgasstrom befindet, senkt den Sauerstoffgehalt des Abgases prozentual noch weiter.
Durch Regelung der Frischluftzugabe kann das Sauer stoffangebot für die Härtung und damit die Härtung selbst, zeitlich geregelt werden. Ausserdem kann dadurch die infolge des exothermen Vorganges freiwer dende Wärmemenge zeitlich so dosiert werden, dass die Brikett-Temperatur nicht wesentlich über 300 an steigt. Die überschüssige Wärmemenge wird ausserdem gleichzeitig durch das Gasgemisch aus Frischluft, Ab gas und Wasserdampf aus dem Brikettchargen-Behälter abgeführt, wenn dieses Gasgemisch mit entsprechender Geschwindigkeit und mit einer Eintrittstemperatur von nur ca. 160 -200 durch die Brikettcharge hindurch gesaugt oder hindurchgeblasen wird.
Erfahrungsgemäss wird zur Härtung von 1 Tonne Kohlenbriketts mit ca. 4 Gew.-% Bitumen 80 eine Sauerstoffmenge erforderlich, die ungesähr einer Frischluftmenge von ca. 50-60m3 bei 20 entspricht. Die freiwerdende Wärmemenge erwärmt die Briketts um etwa 100-150 , so dass bei einer Anfangstempera tur von 170 , bei der die Härtung beginnt, ein Teil der Wärmemenge abgeführt werden muss, damit die Bri- kett-Temperatur nicht über 300 steigt.
Die optimale Temperatur zur Erzielung der Här tung der Briketts liegt je nach Zusammensetzung der Brikettiermischung zwischen 200 und 300 . Bei die sem Temperaturbereich wird das anfänglich weiche Bitumen bis zur Unschmelzbarkeit und Unlöslichkeit gehärtet, und die so behandelten Briketts brennen dann auch praktisch ohne Rauch- und Russbildung und un ter Beibehaltung ihrer Form, wie natürlich Kohle selbst.
Der Härtungsprozess des Briketts kann auch konti nuierlich durchgeführt werden, und eine beispielsweise Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in der Zeichnung dargestellt.
Ein wärmeisolierter Heizbehälter 1 besitzt einen Einlauf 2 mit Abschlussklappe 3. Bei geöffnetem Ein lauf gelangt eine Charge ungehärteter Briketts von der Brikettwalzenpresse in den Behälter. Oben am Behälter ist neben dem Einlauf 2 ein Saugrohr 4 angeschlossen, welches sich verzweigt, wobei eine mit Ventil 5 verse hene Leitung 6 überschüssiges Abgas wegführt, gege benenfalls in eine Vorwärmanlage für verpresste, noch ungehärtete Briketts. Die Leitung 7 führt über ein Drosselventil 8 in eine Wirbelkammer 9, in welche ebenfalls eine mittels Ventil 10 abschliessbare Frisch luftleitung 11 mündet.
Von der Wirbelkammer "9 führt eine Saugleitung 12 nach einem Sauggebläse 13, dessen Förderleitung 14 in den untern Teil des Heizbehälters zurückführt. Zuunterst am Behälter 1 befindet sich der Auslauf 15 für die behandelten Briketts mit Schliess klappe 1.6. Die Förderleitung 14 ist mit einer Erweite rung 17 versehen, in welche eine Kühlwasserzuleitung 18 mit Ventil 19 mündet. Das in die Erweiterung 17 mündende Ende der Wasserleitung 18 ist mit einer Sprühdüse versehen, um Kühlwasser in die Erweite- rung 17 hinein versprühen zu können.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Vorrichtung ist wie folgt: Bei geöffneter Einlaufklappe 3 gelangen frischge- presste Briketts von der Brikettpresse oder gegebenen falls aus einem Vorwärmraum durch den Einlauf 2 in den Behälter. Nach Füllung des Behälters wird die Einlaufklappe 3 wieder geschlossen. Die in den Behäl ter eingefüllten Briketts haben beispielsweise eine Temperatur von 50-80 C. Nun wird das Sauggebläse 13 in Betrieb gesetzt und durch die Leitungen 11 und 12 Luft angesaugt, die lediglich zum Anlaufen des Vorganges anfangs auf 150 -200 erhitzt werden muss.
Die Luft wird durch die Leitung 14 unten in den Behälter mit der Brikettcharge eingeblasen, während oben im Behälter durch die Leitung 6 die Luft aus dem Behälter wieder abgeführt wird, die beim Durch strömen durch die Briketts diese aufheizt und sich selbst abkühlt.
Wenn die Briketts auf eine Temperatur von etwa 170 -200 gebracht worden sind und die heisse Luft in die Poren der einen regelmässig verteilten Hohl raumgehalt aufweisenden Briketts eindringt, dann wird der exotherme Oxydationsprozess zwischen dem Sauer stoff der Luft und den dünnen Bitumenfilmen eingelei tet, welche jedes Kohlepartikel umhüllen. Die Tempe ratur im Innern der Brikettmasse steigt von diesem Zeitpunkt ab von selbst weiter, weil sich infolge des Oxydationsprozess beim Härten der Briketts eine merkliche Temperaturzunahme ergibt, die jedoch 300 C nicht wesentlich übersteigen soll, da sonst eine Verbrennung der Briketts eintritt.
Die Maximaltempe ratur richtet sich nach der Kohleart bzw. nach der Temperatur, bei der sich die verwendete Kohle von selbst entzündet.
Zweckmässig werden an verschiedenen Stellen des Behälters Thermometer zur Messung der Temperatur der Brikettcharge angebracht, um den Härteprozess zu kontrollieren und seine Steuerung zu ermöglichen. Nachdem die Brikettcharge im unteren Teil des Behäl ters eine Temperatur von 200 -300 erreicht haben, kann der kontinuierliche Betrieb der Vorrichtung be ginnen. Beide Klappen 5 und 6 werden geöffnet, und in dem Masse als unten am Behälter gehärtete Briketts abgeführt werden, treten oben ungehärtete Briketts in den Behälter ein.
Diese besitzen eine Temperatur von etwa 50 -80 C entsprechend dem Abwärtswandern der Briketts im Behälter steigt deren Temperatur bis aui: etwa 300 im mittleren und unteren Teil des Be hälters. Wie in der Zeichnung dargestellt ist, durchlau fen die Briketts eine Anzahl Zonen von verschiedener Temperatur. Zuerst befinden sich die ankommenden frischen Briketts in einer Aufheizzone in welcher ihre Temperatur von 50 bis auf etwa 170 steigt. Bei die ser Temperatur beginnt die Härtung. Dann durchlaufen die Briketts die eigentliche Härtungszone, in der sie durch den Oxydationsprozess bis auf etwa 300 erhitzt werden.
Nachdem die Härtung des Bindemittels vollzo gen ist, hört die exotherme Reaktion auf und es erfolgt eine langsame Abkühlung, so dass die Briketts am Auslauf 15 eine Temperatur von etwa 280 -290 C aufweisen.
Entsprechend dem Temperaturanstieg der durch den Behälter wandernden Briketts, wird auch die im Gegenstrom zu den Briketts durch den Behälter auf steigende Luft eine Temperaturveränderung erfahren. Die anfänglich mit einer Temperatur von 170 -20(l C zugeführte Frischluft erfährt infolge der durch die exo- therme Reaktion zwischen Sauerstoff und Bindemittel entwickelten Wärme ebenfalls einen Temperaturan stieg. Würde ständig Frischluft von dieser Temperatur zugeführt, so würde die Reaktion viel zu heftig verlau fen und die Briketts würden auf Verbrennungstempera tur gebracht werden.
Durch Zufuhr von kälterer Luft würde jedoch der Härtungsprozess im untern Teil des Behälters gestört oder verhindert werden. Es sind daher Massnahmen getroffen, um den Sauerstoffgehalt der zugeführten Luft zu vermindern und die exotherme Reaktion in dieser Weise zu steuern. Wenn die Temperatur in der Brikettmasse im Be hälter über 300 C ansteigt, so wird das Ventil 8 in der Leitung 7 geöffnet und das Ventil 5 der Leitung ge drosselt oder ganz geschlossen, so dass durch die Wir kung des Sauggebläses 13 die sauerstoffarmen Abgase aus dem obern Behälterteil durch die Leitung 7 abge saugt und über die Wirbelkammer 9 und die Leitung 12 zur Pumpe 13 geführt werden,
von wo sie wieder durch die Leitung 14 in die Brikettcharge im Behälter eingeblasen werden. Durch die Leitung 11 kann in der Wirbelkammer 9 den Abgasen gewünschtenfalls eine beliebige Menge Frischluft beigemengt werden. Da diese Abgase mit einer Temperatur von etwa 280 C aus dem Behälter abgesogen werden, müssen sie vor der Wiedereinführung in den untern Teil des Behälters gekühlt werden. Dies geschieht vorzugsweise durch Versprühen von Wasser in der Erweiterung 17 der Leitung 14. Es kann aber auch jede andere Art der Kühlung angewendet werden.
Im heissen Abgas ver dampft das eingesprühte Wasser und infolge der entzo genen Verdampfungswärme wird das Abgas gekühlt, so dass es wieder mit einer Temperatur von 170 -200 in den Behälter eingeblasen wird.
In dieser Weise kann die Temperatur in der Bri kettmasse im Behälter in den gewünschten Grenzen ge halten werden, damit während der Härtung keine Ver brennung der Briketts stattfindet, und durch die Steue rung der Durchlaufgeschwindigkeit der Briketts durch den Behälter mittels der Ein- und Auslaufklappen 5 und 6 kann die Zeitdauer der Wärmebehandlung ein gestellt werden, um den Briketts den gewünschten Här tegrad zu erteilen. Das unten mit etwa 170 -200 ein tretende Gemisch aus Frischluft, Abgas und Wasser dampf dient gleichzeitig als Kühlgas, d. h. es führt die beim Oxydationsprozess entstehende Wärmemenge in einem solchen Umfang ab, dass die Temperatur der Briketts nicht wesentlich über 300 steigt, d. h.
dass die Briketts nicht zu verbrennen beginnen können.