DE102015215800A1 - Process and plant for the production of mono- or multicellular expanded particles from a vitreous or ceramic material - Google Patents
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Abstract
Es werden ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung von mono- oder multizellulär expandierten Partikeln (B) aus einem glasartigen oder keramischen Material angegeben. Danach werden Brenngutpartikel (R) aus einem nicht-expandierten Ausgangsmaterial in eine Brennkammer (4) eines Ofens (2) eingegeben. Zusätzlich zu den Brenngutpartikeln (R) wird ein Trennmittel (T) in die Brennkammer (4) eingebracht. Durch Befeuerung des Ofens (2) wird mittels eines Brenners (15) in der Brennkammer (4) ein Heißgasstrom (H) erzeugt, in dem die Brenngutpartikel (R) expandiert werden. Das Trennmittel (T) wird über den Brenner (15) in die Brennkammer (4) eingeblasen.The invention relates to a process and a plant for producing mono- or multicellular expanded particles (B) from a vitreous or ceramic material. Thereafter, fuel particles (R) are input from a non-expanded starting material in a combustion chamber (4) of a furnace (2). In addition to the Brenngutpartikeln (R), a release agent (T) is introduced into the combustion chamber (4). By firing the furnace (2) by means of a burner (15) in the combustion chamber (4) generates a hot gas stream (H), in which the Brenngutpartikel (R) are expanded. The release agent (T) is blown into the combustion chamber (4) via the burner (15).
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von mono- oder multizellulär expandierten Partikeln aus einem glasartigen oder keramischen Material, insbesondere aus Glas, Perlit, gebranntem Ton oder einem anderen Keramikwerkstoff. Insbesondere bezieht sich die Erfindung dabei auf die Herstellung von expandierten Mikropartikeln, also Partikeln mit einem Partikeldurchmesser im Sub-Millimeterbereich (ca. 1 Mikrometer bis 1.000 Mikrometer). Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens. The invention relates to a process for the preparation of mono- or multicellular expanded particles of a vitreous or ceramic material, in particular of glass, perlite, calcined clay or another ceramic material. In particular, the invention relates to the production of expanded microparticles, ie particles with a particle diameter in the sub-millimeter range (about 1 micron to 1,000 microns). The invention further relates to a system for carrying out the method.
Als „expandierte Partikel“ werden dabei solche Partikel bezeichnet, die einen oder mehrere durch einen Expansionsprozess (Blähprozess) entstandene Hohlräume einschließen. In monozellulär expandierten Partikeln ist dabei zumindest im Wesentlichen das gesamte Hohlvolumen des Partikels durch einen einzigen Hohlraum gebildet. Solche monozellulär expandierten Partikel liegen meist in Form von Hohlkugeln vor, deren Wand typischerweise aus Glas gebildet ist. Bei multizellulär expandierten Partikeln, wie z.B. Blähglas, Blähton oder expandierten Perliten ist das Hohlvolumen des jeweiligen Partikels aus einer Vielzahl von Hohlräumen gebildet. Multizellulär expandierte Partikel haben somit die Form eines erstarrten Schaums mit einer sphärischen oder unregelmäßig geformten Außenkontur. In this context, "expanded particles" are those particles which include one or more cavities formed by an expansion process (expanding process). In monocellular expanded particles, at least substantially the entire hollow volume of the particle is formed by a single cavity. Such mono-cellular expanded particles are usually in the form of hollow spheres whose walls are typically formed of glass. In multicellular expanded particles, such as e.g. Expanded glass, expanded clay or expanded perlites, the hollow volume of the respective particle is formed from a plurality of cavities. Multicellular expanded particles thus have the form of a solidified foam with a spherical or irregularly shaped outer contour.
Mono- oder multizellulär expandierte Partikel aus glasartigem oder keramischem Material werden vielfach als Leichtzuschlagstoffe in Kompositmaterialien und Leichtbeton eingesetzt. Des Weiteren finden expandierte Mikropartikel unter anderem Verwendung in der Medizin sowie der Verbrauchsgüterindustrie. Mono- or multicellular expanded particles of vitreous or ceramic material are widely used as lightweight aggregates in composite materials and lightweight concrete. Furthermore, expanded microparticles find use in, among other things, medicine and the consumer goods industry.
Sowohl Glas-Hohlkugeln als auch multizellulär expandierte Mikropartikel werden üblicherweise in direkt befeuerten Vertikalöfen (auch als Schachtöfen bezeichnet) hergestellt. In einem in
Ein großes, zu bewältigendes Problem bei allen diesen Verfahren ist die Klebeneigung der während des Brennprozesses an- oder aufgeschmolzenen Partikel, die einerseits zur Agglomeration der Partikel untereinander sowie anderseits zum Verkleben der Partikel mit der Ofeninnenwand führt. Dieses Problem ist in der Regel umso schwieriger zu beherrschen, je höher die Brenntemperaturen und je kleiner die Partikelgrößen der expandierten Partikel sind. A major problem to be overcome in all these processes is the tendency of the particles fused or melted during the firing process to lead to the agglomeration of the particles with one another and to the bonding of the particles to the inner wall of the furnace. This problem is usually more difficult to control, the higher the firing temperatures and the smaller the particle sizes of the expanded particles.
Um das Verkleben der Partikel miteinander und mit der Ofenwand zu vermeiden, wird dem Brenngut häufig ein Trennmittel zugemischt. Das Trennmittel wird in der Regel zusammen mit den Brenngutpartikeln in die Brennkammer eingegeben. In Vertikalöfen stellt sich die hinreichende Verteilung des Trennmittels allerdings als schwierig heraus. So wird in einem von unten befeuerten Vertikalofen regelmäßig ein großer Teil des Trennmittels, das meist wesentlich feinkörniger ist als das Brenngut, mit dem in dem Ofen erzeugten Heißgasstrom vor Beendung des Expansionsprozesses weggeblasen, so dass das Trennmittel seine Wirkung nicht oder nur in stark eingeschränktem Maß erfüllen kann. In order to avoid the sticking together of the particles with one another and with the furnace wall, a separating agent is often added to the kiln. The release agent is usually entered together with the Brenngutpartikeln in the combustion chamber. In vertical furnaces, however, the sufficient distribution of the release agent turns out to be difficult. Thus, in a vertical furnace fired from below, a large part of the release agent, which is usually much finer than the kiln, is blown away with the hot gas stream produced in the furnace before completion of the expansion process, so that the release agent does not or only to a very limited extent can fulfill.
Wird die Klebeneigung der Brenngutpartikel in dem Expansionsprozess nicht hinreichend beherrscht, so resultiert dies regelmäßig in einer ungenügenden Effizienz des Verfahrens infolge eines hohen Anteils an agglomerisierten Ausschusspartikeln und/oder häufiger Produktionspausen zur Reinigung der Brennkammer. If the sticking tendency of the fuel particles in the expansion process is not adequately controlled, this regularly results in an insufficient efficiency of the process due to a high proportion of agglomerated reject particles and / or frequent production pauses for cleaning the combustion chamber.
Wird andererseits zur Erzielung einer hinreichenden Trennwirkung das Trennmittel in entsprechendem Maße überdosiert, führt dies regelmäßig zu einer schlechten Energieeffizienz des Verfahrens. On the other hand, if the release agent is overdosed to a sufficient degree to achieve a sufficient release effect, this regularly leads to a poor energy efficiency of the process.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein besonders effizientes Verfahren zur Herstellung von mono- oder multizellulär expandierten Partikeln der vorstehend genannten Art anzugeben, das insbesondere zur Herstellung von hochschmelzenden expandierten Partikel und/oder feinkörnigen expandierten Partikeln (insbesondere Mikropartikeln) geeignet ist. Insbesondere soll mittels des Verfahrens ein Verkleben der Brenngutpartikel während des Expansionspartikels bei gleichzeitig guter oder zumindest akzeptabler Energieeffizienz des Verfahrens möglichst verhindert werden. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Anlage anzugeben. The invention is therefore based on the object to provide a particularly efficient process for the production of mono- or multicellular expanded particles of the aforementioned type, which is particularly suitable for the production of high-melting expanded particles and / or fine-grained expanded particles (especially microparticles). In particular, by means of the method, bonding of the fuel particles during the expansion particle with at the same time good or at least acceptable energy efficiency of the process should be prevented as far as possible. The invention is further based on the object of specifying a system suitable for carrying out the method.
Bezüglich des Verfahrens wird die obige Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bezüglich der Anlage wird die obige Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 6. Vorteilhafte und teils für sich gesehen erfinderische Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt. With regard to the method, the above object is achieved by the features of claim 1. With respect to the system, the above object is achieved by the features of claim 6. Advantageous and partly in itself inventive embodiments and further developments of the invention are in the dependent claims and the set forth below description.
Die Erfindung geht dabei aus von einem Verfahren zur Herstellung von mono- oder multizellulär expandierten Partikeln der eingangs genannten Art, bei welchem Brenngutpartikel aus einem nicht-expandierten Ausgangsmaterial in eine Brennkammer eines Ofens eingegeben werden, wobei zusätzlich zu Brenngutpartikeln ein Trennmittel in die Brennkammer eingebracht wird. Verfahrensgemäß wird durch Befeuerung des Ofens mittels eines Brenners in der Brennkammer ein Heißgasstrom erzeugt, in welchem die Brenngutpartikel expandiert werden. The invention is based on a process for producing mono- or multicellular expanded particles of the type mentioned, in which Brenngutpartikel be entered from a non-expanded starting material in a combustion chamber of a furnace, wherein in addition to Brenngutpartikeln a release agent is introduced into the combustion chamber , According to the method, a hot gas flow is generated by firing the furnace by means of a burner in the combustion chamber, in which the Brenngutpartikel be expanded.
Dabei wird das Trennmittel nicht (oder zumindest nicht nur) zusammen mit dem Brenngut in die Brennkammer des Brennofens eingegeben. Vielmehr wird das Trennmittel (zumindest auch) über den Brenner in die Brennkammer eingeblasen. In this case, the release agent is not (or at least not only) entered together with the kiln in the combustion chamber of the kiln. Rather, the release agent is (at least) blown through the burner into the combustion chamber.
Durch die Zuführung des Trennmittels über den Brenner wird das Trennmittel auf einfache und effektive Weise unmittelbar zu den besonders heißen Bereichen der Brennkammer geführt, in denen auch das Verklebungsrisiko der Brenngutpartikel am höchsten ist. Zudem kann durch das erfindungsgemäße Verfahren das Trennmittel während des gesamten Expansionsprozesses in stets ausreichender und wohl dosierter Menge nachgeführt werden. Die Gesamtmenge des der Brennkammer zuzuführenden Trennmittels kann somit vergleichsweise gering gehalten werden, wodurch eine vergleichsweise hohe Energieeffizienz des Verfahrens erzielt wird. By supplying the release agent via the burner, the release agent is performed in a simple and effective manner directly to the particularly hot areas of the combustion chamber, in which the risk of adhesion of the Brenngutpartikel is highest. In addition, the release agent can be tracked throughout the expansion process in always sufficient and well-dosed amount by the inventive method. The total amount of the release agent to be supplied to the combustion chamber can thus be kept comparatively low, whereby a comparatively high energy efficiency of the method is achieved.
Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft zur Herstellung von expandierten Partikeln mit beliebigen Partikeldurchmessern und Expansionstemperaturen einsetzbar. Mit besonderem Vorteil wird das Verfahren aber zur Herstellung von expandierten Partikeln mit kleinen Partikeldurchmessern (insbesondere Mikropartikeln) und/oder hochschmelzenden Brenngutpartikeln (insbesondere von Partikeln mit Expansionstemperaturen von mehr als 1000°C) eingesetzt. In principle, the process according to the invention can advantageously be used for the production of expanded particles having arbitrary particle diameters and expansion temperatures. With particular advantage, however, the method is used for the production of expanded particles with small particle diameters (in particular microparticles) and / or high-melting Brenngutpartikeln (in particular of particles with expansion temperatures of more than 1000 ° C).
In bevorzugter Ausführung der Erfindung wird als Ofen ein Vertikalofen herangezogen, bei dem die Brennkammer eine langgestreckte, hinsichtlich ihrer Längsausdehnung vertikal ausgerichtete Geometrie aufweist. Die vertikale Ausrichtung der Brennkammer hat den Vorteil, dass sowohl die Strömungsrichtung des Heißgasstroms als auch die Schwerkraft parallel zu der Längserstreckung der Brennkammer ausgerichtet sind. Mithin sind die quer zu der Brennkammerwand auf die Mikropartikel wirkenden Kraftkomponenten, die ein Verkleben der Mikropartikel mit der Brennkammerwand fördern würden, besonders gering. Vorzugsweise wird der Heißgasstrom dabei derart erzeugt, dass er die Brennkammer von unten nach oben durchläuft. In a preferred embodiment of the invention, a vertical furnace is used as the furnace, in which the combustion chamber has an elongated, vertically aligned with respect to their longitudinal extent geometry. The vertical orientation of the combustion chamber has the advantage that both the flow direction of the hot gas flow and the gravitational force are aligned parallel to the longitudinal extent of the combustion chamber. Consequently, the force components acting on the microparticles transversely to the combustion chamber wall, which would promote sticking of the microparticles to the combustion chamber wall, are particularly small. Preferably, the hot gas stream is generated in such a way that it passes through the combustion chamber from bottom to top.
Vorzugsweise wird das Trennmittel hierbei allerdings nicht unmittelbar in das (aus Primärluft und einem gasförmigen oder flüssigen Brennstoff gebildete) Verbrennungsgemisch und somit in die Brennerflamme eingebracht. Vielmehr ist vorgesehen, das Trennmittel in einen von dem Brenner ebenfalls ausgestoßenen Sekundärluftstrom einzubringen, der insbesondere mantelartig (umfänglich) um die Brennerflamme herum erzeugt wird. Preferably, however, the release agent is not introduced directly into the (from primary air and a gaseous or liquid fuel formed) combustion mixture and thus in the burner flame. Rather, it is provided to introduce the release agent into a burner also ejected secondary air flow, which is generated in particular like a shell (circumferentially) around the burner flame around.
Als Trennmittel wird beispielsweise Kaolin, Aluminium-Hydroxid, Quarzmehl, Sillitin (Kieselgur) oder Kalksteinmehl herangezogen. Das Trennmittel wird vorzugsweise als Pulver, insbesondere mit einer Feinheit von d97 < 20µm eingesetzt (d.h. in einem Feinheitsgrad, bei dem 97 % der Trennmittel-Partikel einen Durchmesser von weniger als 20 Mikrometer aufweisen). For example, kaolin, aluminum hydroxide, quartz powder, sillitin (kieselguhr) or limestone flour are used as release agents. The release agent is preferably used as a powder, in particular with a fineness of d 97 <20 microns (ie in a degree of fineness in which 97% of the release agent particles have a diameter of less than 20 microns).
Die erfindungsgemäße Anlage ist allgemein zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere in einer der vorstehend beschriebenen Verfahrensvarianten, eingerichtet. Die Anlage umfasst hierzu einen (insbesondere als Vertikalofen ausgebildeten) Ofen mit einer Brennkammer sowie eine Brenngut-Beschickungseinrichtung, mittels welcher die Brennkammer mit zu expandierenden Brenngutpartikeln aus einem nicht-expandierten Ausgangsmaterial beschickbar ist. Die Anlage umfasst weiterhin einen Brenner, mittels dessen durch Befeuerung in der Brennkammer ein Heißgasstrom zur Expansion der Brenngutpartikel erzeugbar ist. Der Brenner ist insbesondere in einem unteren Bereich der Brennkammer angeordnet oder mit einem unteren Bereich der Brennkammer verbunden, so dass der Heißgasstrom die Brennkammer von unten nach oben durchläuft. The system according to the invention is generally designed for carrying out the method according to the invention, in particular in one of the method variants described above. For this purpose, the plant comprises an oven (designed in particular as a vertical oven) with a combustion chamber and a firing charge device by means of which the combustion chamber can be charged with firing material particles to be expanded from a non-expanded starting material. The system further comprises a burner, by means of which a hot gas stream for the expansion of the fuel particles can be generated by firing in the combustion chamber. The burner is arranged in particular in a lower region of the combustion chamber or connected to a lower region of the combustion chamber, so that the hot gas flow passes through the combustion chamber from bottom to top.
Erfindungsgemäß ist der Brenner in der vorstehen beschriebenen Weise – zum Einblasen eines Trennmittels in die Brennkammer eingerichtet. Wie vorstehend beschrieben führt der Brenner das Trennmittel dabei insbesondere über einen Sekundärluftstrom in Brennkammer ein. Um diesen Sekundärluftstrom derart zu erzeugen, das er am Auslass des Brenners die Brennerflamme mantelartig umgibt, umfasst der Brenner in vorteilhafter Ausführung einen Sekundärluftkanal, der ein – das Verbrennungsgemisch und die Brennerflamme führendes – Brennrohr umfänglich (insbesondere koaxial) umgibt. Das Verfahren und die Anlage werden vorzugsweise zur Herstellung von Blähglaspartikeln eingesetzt. Im Rahmen der Erfindung können aber auch andere monozellulär oder multizellulär expandierte Partikel nach dem Verfahren und mit der Anlage vorteilhaft hergestellt werden, insbesondere Blähtonpartikel oder Glas-Mikrokohlkugeln. According to the invention, the burner in the manner described above - set up for blowing a release agent in the combustion chamber. As described above, the burner introduces the separating agent in particular via a secondary air flow in the combustion chamber. In order to generate this secondary air flow in such a way that it surrounds the burner flame like a shell at the outlet of the burner, the burner advantageously comprises a secondary air duct surrounding a combustion tube leading the combustion mixture and the burner flame circumferentially (in particular coaxially). The method and the system are preferably used for Production of expanded glass particles used. In the context of the invention, however, it is also possible to produce other monocellular or multicellular expanded particles advantageously by the process and with the plant, in particular expanded clay particles or glass microbeads.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen: An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to a drawing. Show:
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen. Corresponding parts and sizes are always provided with the same reference numerals in all figures.
Zentraler Bestandteil der Anlage
Der Vertikalofen
An seinem oberen Ende wird der Brennkammermantel
Im Betrieb der Anlage
Zur Erzeugung eines Verbrennungsgemischs V ist der Brenner
Des Weiteren ist an den Brenner
Zudem umfasst die Anlage
Die Beschickungseinrichtung
Zur Herstellung der Brenngutpartikel R werden zunächst in an sich herkömmlicher Weise Ausgangsstoffe umfassend Altglasmehl, Wasserglas sowie Blähmittel (z.B. Natronsalpeter) unter Zugabe von warmem Wasser zu einem homogenen Schlicker verrührt. Der Schlicker wird anschließend z. B. in einem Sprühturm granuliert. Die aus dem Granulierprozess resultierenden Brenngutpartikel R werden anschließend getrocknet und in dem Brenngutreservoir für den im Folgenden beschriebenen Expansionsprozess zwischengelagert. For the production of the fuel particles R starting materials, including waste glass powder, water glass and blowing agents (for example sodium nitrate) are first stirred in a conventional manner to give a homogeneous slurry with the addition of warm water. The slip is then z. B. granulated in a spray tower. The firing material particles R resulting from the granulation process are subsequently dried and temporarily stored in the combustible reservoir for the expansion process described below.
Für den in dem Vertikalofen
Sobald der Heißgasstrom H eine vorgegebene Expansionstemperatur (die für die Herstellung der Blähgas-Partikel B vorzugsweise ca. 800° C beträgt) erreicht hat, werden über die Beschickungsleitung
In dem in der Ofenabgasleitung
Durch das Trennmittel T wird verhindert, dass die Brenngutpartikel R und die daraus entstehenden Blähglaspartikel B während des Expansionsprozesses miteinander und mit dem Brennkammermantel
Der Aufbau und die Funktionsweise des Brenners
Durch einen Zünder einer der Zündkammer
Die Elektronik
Wie aus
Die Trenngutleitung
Im Betrieb des Brenners
Zur Optimierung der Brennerleistung wird die Primärluft P der Zündkammer
Als Sekundärluft S wird dem Brenner
Durch die koaxiale Führung von Primärluft P und Sekundärluft S wird die Außenfläche des Brenners
Die Erfindung wird an dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel besonders deutlich, ist auf dieses Ausführungsbeispiel gleichwohl aber nicht beschränkt. Vielmehr können zahlreiche weitere Ausführungsformen der Erfindung aus den Ansprüchen und der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden. The invention will be particularly apparent in the embodiment described above, but is not limited to this embodiment. Rather, numerous other embodiments of the invention may be inferred from the claims and the foregoing description.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Anlage investment
- 2 2
- Vertikalofen vertical furnace
- 3 3
- Brennkammermantel combustion chamber jacket
- 4 4
- Brennkammer combustion chamber
- 5 5
- Außenwand outer wall
- 6 6
- Isolierung insulation
- 7 7
- Kühlspalt cooling gap
- 8 8th
- Kuppel dome
- 9 9
- Gasaustritt gas outlet
- 10 10
- Ofenabgasleitung Furnace exhaust pipe
- 15 15
- Brenner burner
- 16 16
- Brenngasleitung Fuel gas line
- 17 17
- Primärluftleitung Primary air line
- 18 18
- (Primärluft-)Gebläse (Primary air) blower
- 19 19
- Sekundärluftleitung Secondary air line
- 20 20
- (Sekundärluft-)Gebläse (Secondary air) blower
- 21 21
- Trennmittelleitung Release agent line
- 22 22
- Beschickungseinrichtung feeder
- 23 23
- Brenngutleitung Brenngutleitung
- 30 30
- Zündkammer ignition chamber
- 31 31
- (Steuer- und Überwachungs-)Elektronik (Control and monitoring) electronics
- 32 32
- Brennrohr combustion tube
- 33 33
- Düse jet
- 34 34
- Mantelrohr casing pipe
- 35 35
- Sekundärluftkanal Secondary air duct
- 36 36
- Ringverteiler ring distributor
- 37 37
- Düse jet
- 38 38
- Warmluftleitung Hot air duct
- B B
- Blähglaspartikel Blähglaspartikel
- K K
- Kühlluft cooling air
- H H
- Heißgasstrom Hot gas stream
- G G
- Brenngas fuel gas
- P P
- Primärluft primary air
- S S
- Sekundärluft secondary air
- T T
- Trennmittel release agent
- R R
- Brenngutpartikel Brenngutpartikel
- V V
- Verbrennungsgemisch combustion mixture
- F F
- Brennerflamme burner flame
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- US 2421902 A [0004] US 2421902 A [0004]
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