DE2164886C3

DE2164886C3 - Verfahren zur Herstellung von Bauelementen oder Zuschlagstoffen für Bauelemente aus einer Mischung aus Flugasche oder Waschberge und organischen Bindemitteln

Info

Publication number: DE2164886C3
Application number: DE19712164886
Authority: DE
Inventors: William David Nottingham Evans The Lord Energlyn (Grossbritannien)
Original assignee: H.E.L.D. Aufbereitungsverfahren GmbH, 4000 Düsseldorf
Filing date: 1971-12-28
Publication date: 1977-07-14

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauelementen oder Zuschlagstoffen für Bauelemente aus einer Mischung aus Flugasche oder Waschberge und organischen Bindemitteln. Die erwähnten Zuschlagstoffe können auch bei der Herstellung von Schwer- oder Leichtbeton verwendet werden.

Die Herstellung dieser künstlichen Materialien gewinnt an Bedeutung, da sich ein Mangel an Zuschlagstoffen aller Voraussicht nach einstellen wird, so beispielsweise an Kies und Ofensehlacke, während gleichzeitig das Problem der Beseitigung feinen Müllmaterials, wie beispielsweise Kraftwerksasche, an Bedeutung zunimmt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren zu schaffen, mit dem verschiedenartige natürliche Materialien und künstliche Materialien, beispielsweise Flugasche oder Waschberge, in handelsüblich wertvolle Produkte wirtschaftlich verwandelbar sind.

Untersuchungen, betreffend den Zusammenhang zwischen organischen Stoffen und der Bildung von Gesteinen, haben Reaktionen erkennen lassen, die durch die Gegenwart von Kohlenwasserstoffen. Kohlehydraten und Enzymen gefördert werden. Bei natürlichen Gesteinen und Mineralien wurden bisher die über lange Zeitperioden herrschenden Temperaturen und Drücke als wesentlich für den Ablauf der beobachteten mineralogischen Veränderungen angesehen. Experimente haben nun gezeigt, daß bei Benutzung der gleichen Druck- und Temperaturbedingungen ähnliche Veränderungen künstlich erzeugt werden können, wenn auf Gemische aus anorganischen Substanzen Druck zur Einwirkung gelangt. Dann bilden sich nämlich kompak-Ie Produkte, die. sobald sie hohen Temperaturen ausgesetzt werden, mineralogische Veränderungen durchmachen, welche den bei Gesteinen und Mineralien festgestellten äquivalent sind.

Es ist ein Verfahren bekannt, de.^ri beim Verbrennen von Braunkohle oder Braunkohlenkoks anfallenden Flugaschenanteil dadurch /u verwerten, daß die Flugasche in trockenem Zustand mit Wasser angerührt wird. Dieses Verfahren ging jedoch von der irrigen Auffassung aus, daß Flugasche ausreichende Mengen an Kalk enthält, um eine ausreichende Bindekraft zu entwickeln. Eine solche Bindekraft wird aber bei einem geringeren Anteil an Kalk nicht entwickelt.

Ein anderes bekanntes Verfahren beruht auf der Verwendung von Bindeton. Dieses Verfahren rechnet deshalb zu den Brennverfahren, die bei der Herstellung von Ziegeln üblich sind.

Schließlich ist noch bekannt, Abfallstoffe wie Waschberge oder Flugasche weiterzuverarbeiten. beispielsweise zu Bauelementen oder Zusehlagstoffen für Bauelemente.

Von allen bekannten Verfahren unterscheidet sich die Erfindung dadurch, daß ein Bindemittel im Sinne der bekannten Verfahren nicht Verwendung findet.

Ausgehend von den Erkenntnissen der erwähnten Versuche, bei denen Druck und hohe Temperaturen Verwendung fanden, besteht also die Erfindung darin, daß Flugasche oder Waschberge mit Wasser und organischem Bindemittel vermischt und die Mischung bei einem Druck von mindestens 77 kp/cm' geformt und bei einer Temperatur von wenigstens 800" C mindestens 2 Minuten lang gebrannt wird.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Flugasche oder Waschberge mit 0.5 bis 10 Volumprozent Wasser, das 0,2 bis 2 Gewichtsprozent organisches Bindemittel, bezogen auf das Gewicht der Flugasche oder Waschberge, enthält. gemischt werden und die Mischung bis zu 5 Minuten Drücken von 77 bis 1540 kg/cm-' ausgesetzt wird. wonach die gebildeten Preßlinge bei einer Temperatur zwischen 900 und 1350 C für eine Zeitspanne von wenigstens 2 Minuten gebrannt werden Bei allen diesen Verfahren können Stoffe wie Zucker. Stärke, Dextrin. Glutin. Zellulose, Schlamm von Abwässerkläranlygen, Humussäure und Alginsäuren als Zusätze bei der Herstellung der Preßlinge Verwendung linden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch das Entstehen von Filmen aus anorganischen Substanzen ermöglicht, die an den meisten der Gemengeteilchen des kompakten Produktes anhaften oder sie vollständig umschließen. Dieser Zustand wird durch die Druckbeaufschlagung des Gemisches aus anorganischen und organischen Substanzen mit Hilfe der mechanischen Druckerzeugungsvorrichtung ausgelöst. Einige oder alle organischen Teilchen reagieren mit dem zugehörigen, aus anorganischem Material bestehenden Film individuell, wenn sie der rasch ansteigenden Temperatur ausgesetzt werden. Demzufolge reagieren Teilchen aus anorganischem Material verschiedener Zusammensetzung wahlweise mit dem organischen Material, bevor sie miteinander eine chemische oder physikalische Verbindung eingehen, die eine harte, steinähnliche Masse ergibt.

Obgleich sich organische Verbindungen vielfältigster Art für das hier beschriebene Verfahren verwenden lassen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, biologisch erzeugte Substanzen zu benutzen, da diese Substanzen oftmals organische Substanzen enthalten, die Eigenschaften besitzen, oie die bei diesem Verfahren

(UiFiretenden chemischen Reaktionen erleichtern bzw, fördern.

Der technische l'urlschriu der Erfindung beruht mir dem Umstand, daß bisher als wertlo«, oder geringwertig angesehene Materialien Verwendung finden und dali ein Teil der erforderlichen Tempcratui durch Freimach'ing exothermer Energie erzeugt wird, so daß zumindest für einen Anteil der erforderlichen Energie die üblichen Energicstoffe gespart und durch einen chemischen Vorgang ersetzt, werden.

Die heterogene Zusammensetzung der anorganischen Teilchen natürlicher und künstlicher Pulver macht es schwer, eine umfassende Formel aufzustellen, aus der die Reaktionen ersichtlich sind, die bei der Wärmebehandlung des kompakten Materials stattfinden.

Der Teil des organischen Stoffes, der in Kohlenstoff umgewandelt wird, erzeugt exotherme Energie in Form eines inneren Brennstoffes, der die Bildung eines gesteinsähnlichen Gemenges zusätzlich unterstützt. Diese verschiedenen Formen innerer Reaktionen werden durch da· An und Weise angezeigt, in der das kompakte Material unversehrt bleibt, wenn es rasch in die Hochtemperaturzonen eines Ofens befördert wird, sowie durch die Fähigkeit des kompakten Materials, dem beim Abschrecken in Wasser auftretenden thermischen Schock zu widerstehen.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens ist in der Zeichnung dargestellt. Diese schematisch dargestellte Vorrichtung dient zur Erzeugung von Pellets aus pulverförmiger Brennstoffa .ehe oder Kesselflugasche.

Bei der dargestellten Vorrichtung wird eine wäßrige Suspension einer Lösung eines geeigneten organischen Zusatzes in einem Sammelbehälter 1 bereitgehalten, von wo aus sie mit Hilfe einer Pumpe 2 durch eine Rohrleitung 3 abgezogen und in Form eines Sprühslrahls in eine Mischkammer 4 gefördert wird. In diese Mischkammer 4 wird mit einer konstanten Geschwindigkeit durch eine Leitung 5 pulverförmige Brennstoffasche eingeführt. Das Gemisch aus pulverförmiger Flugasche. Wasser und organischem Zusatz wird in einem Granulator 6 weiter durchmischt, von wo aus das Material in eine Batterie Pelletisierpressen 7 wandert. Die »grünen« Pellets aus den Pelletisierpressen 7 werden in einen Ofen 8 herkömmlicher Bauart gefördert, der eine Vorrichtung aufweist, mit der die Pellets durch ihn hindurchgefördert werden, um dann in eine Sammelzone 9 ausgetragen zu werden. Bei einem typischen Beispiel sind die Pelletisierpressen 7 so angeordnet, daß sie »grüne« Pellets in einer Größe von 3,2 bis 76,2 mm herstellen, d. h. annähernd in den Abmessungen, wie sie bei dem in der Natur auitretenden Kies zu finden sind.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele für das neuartige Verfahren beschrieben:

Beispiel !

Dieses Beispiel bezieht sich auf die Herstellung eines künstlichen Kieses unter Verwendung pulverisierter Brennstoffasche, wie sie von den mit Kohlenstaub betriebenen Kraftwerken erhältlich ist.

Wenn der Kohlenstaub in den öfen der Elektrizität erzeugenden Kraftwerke verbrannt wird, so entsteht eine feine Asche, die häufig mit den Verbrennungsgasen (.5 weggetragen wird und aus ihnen abgeschieden werden muß. Diese Asche wird häufig pulverisierte Brennstoffh Benannt und ist auch als Flugasche bekannt, sie wird deshalb hier mit Flugasche bezeichnet. Die feinen Teilchen der Flugasche enthalten auf Grund der unvollständigen Verbrennung des Kohlenstaubes im Ofen einen gewissen Rcsikohlenstoff, wobei jedoch die s Menge von einem Kraftwerk zum anderen stark schwankt, wobei sich sogar Schwankungen wahrend des Betriebes des einzelnen Kraftwerks einstellen. Das hier beschriebene Verfahren erlaubt, daß alle Arten und Varianten der Flugasche zu künstlichem Kies verarbei· ίο let werden, und zwar unabhängig von der in der Asche befindlichen restlichen Kohlenstoffmenge.

Die Flugasche kann direkt von dem Ofen weggeführt und für das hier beschriebene Verfahren benutzt werden und läßt sich mil einer wäßrigen Lösung oder Suspension der gewünschten organischen Verbindung, beispielsweise mit einer 2prozentigen Stärkesuspension oder einer 2prozentigen Dexirinlösung oder mit dem Schlamm besprühen, der in Abwasserkläranlagen anfällt.

Der Wassergehall der besprühten Teilchen wird durch Verdampfung auf einen Wen unter 10% verringert, so daß eine ausreichend steife, breiartige Masse entsieht, die sich leicht zu »grünen« Preßlingen formen läßt. Die feuchte Masse wird einer Tablettisiermaschine derart zugeführt, wie sie bei der Herstellung pharmazeutischer !ableiten verwendet wird, und die Formteile dieser Maschine werden unter dem Stoß der Maschinenstempel hohen Drucken ausgesetzt. Die hergestellten, stark zusammengepreßten Tabletten jo werden aus dem Formgesenk ausgeworfen und zu einem Ofen transportiert, beispielsweise einem Muffelofen, oder sie werden auf ein Smterband gefördert. In dem Ofen oder auf dem Sinterband laufen die »grunen« Tabletten in einer Hochtemperuturzone, die am Eintriltsende eine Temperatur von wenigstens 900 C aufweist, wobei der Temperaturgradient so schnell wie möglich auf 1150 bis 1350 C erhöht wird. Dabei findet ein rasches Sintern oder Koaleszieren bzw. Verschmelzen de anorganischen Teilchen statt, und nach einer Zeitspanne von nicht weniger als 2 Minuten läßt sich das Endprodukt aus dem Ofen entfernen. Wenn die Preßlinge längere Zeiträume in dem Ofen gehalten werden, so entstehen Tabletten geringerer Dichte, so daß je nach Wunsch dichte oder leichte künstliche Zuschlagstoffe erhalten werden können.

Ein typisches Beispiel für die Verwendung dieser Produkte bei der Herstellung von Betonzuschlagstoffen zeigen die folgenden Versuche.

Blöcke aus diesen künstlichen Stoffen wurden mil anderen Blöcken verglichen, die aus natürlichem Ki^s gefertigt wurden, wobei diese Blöcke den genormten Versuchen unterworfen wurden, welche zu den folgenden Werten führten:

Größe der Blöcke: Würfel mit einer Kantenlänge von 15.24 cm; Dauer der Verfestigung der Blöcke: 28 Tage; künstliche Zuschlagstoffe und natürlicher Kies vermischt mit 50 Volumprozent Sand/Zement in einem Mischungsverhältnis von 5:1.

	Künst	2,06	Natürlicher Kies	2,37	3	2,37
	licher	21,75		28,0	26,0
	Kies	21,4		27,6	25.6
	Proben	Nr.
	1	2
Gewicht g/cm^J
Bruchfestigkeit t
Festigkeit kp/cm²

Die wesentlichen Merkmale, die sich aus den obigen Versuchen ergaben, waren die Äquivalenz beider Arten Zuschlagstoffe in bezug auf ihre Bruchfestigkeit sowie das stark reduzierte Gewicht des aus den künstlichen Materialien hergestellten Zuschlagstoffes.

Zur Herstellung einer gewünschten Vielfalt verschieden großer Preßlinge lassen sich mehrere Tablettierungsmaschinen oder ähnliche Pressen verwenden oder in einer einzigen Maschine unterschiedlich große Preßformen. Alle Preßlinge werden zusammen durch die Hochtemperaturzone geschickt, so daß das ausgetragene Material eine Mischung künstlicher Zuschlagsloffteilchen enthält, deren Korngröße im gewünschten Bereich liegt, so daß ein Zuschlagstoff brauchbarer Güte erzeugt wird.

An Stelle der Pclletisierungsprcsscn der in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung lassen sich auch Briketticrvorrichlungen mit ähnlichen Resultaten verwenden. Das Material wird in diesem Fall ebenfalls durch Walzen und Pressen extrudiert, wie sie beispielsweise zur Herstellung von Zenientformstückcn und Brammen dienen, und das zusammengepreßte Material wurde auf die gleiche oben beschriebene Weise einer Wärmebehandlung unterworfen. Die Dichte der gebrannten Preßlinge läßt sich durch niedrigere Temperaturgradienten erhöhen, jedoch ändern sich die genauen Grenzen in Abhängigkeit von dem Entstchungsort der Flugasche. Auf diese Weise können Zuschlagstoffe verhältnismäßig hoher Dichte für normale Betoniypen hergestellt werden.

Beispiel 2

Herstellung von Zuschlagstoffen aus Waschbergen (Kohlcbcrgwerksabfällen). Bei diesem Beispiel wird eine Verfahrensweise bcnul/l. die derjenigen ähnlich ist, wie sie im Zusammenhang mit der Verwendung von Flugasche zur Anwendung gelangte. Bei Kohlewaschanlagen fällt ein Schlamm ab, dessen Menge bis zu 380 I pro Minute groß sein kann. Die Feststoffe in diesem Schlamm bilden ein tonähnliches Sediment, das Teilchen fein zerteilter Kohle enthält. Normalerweise läßt man dieses Sediment sich in Lagunen absetzen oder entfernt es mit Hilfe von verschiedenartigen Filtrierprozessen. Zum Kohlenwäschen werden verschiedene anorganische Chemikalien verwendet, die teilweise in dem Schlamm mit ausgetragen werden. In einigen Fällen werden Eindiekungs- oder Flockungsmittel, beispielsweise Stärke, benutzt, um die Sedimentation /u beschleunigen, und diese Mittel werden ebenfalls mit in dem abgelagerten Scdimenl eingeschlossen und evcnlueil auf die Bergwcrksabraumhalden geworfen. Demzufolge ändert sich die Verarbeitung des Kohlebergwerkabfalls /u pellctisicrien Teilchen zwecks Wärmebehandlung von Kohlengrube zu Kohlengrube, und die Notwendigkeit für die Benutzung weiterer organischer Zusätze hangt von dem zur Anwendung gelangenden Kohlcnwaschprozcß ab. Wenn die diesbezüglichen Bedingungen geklärt sind, dann erfolgt die Herstellung des Zuschlagstoffes in etwa auf dieselbe Weise, wie dies oben im Zusammenhang mil der Flugasche beschrieben ist. Der Wassergehalt des Breis wird auf etwa 10 Volumprozcnl verringert, und der Brei wird mit Stärke oder Dextrin oder verschiedenen Zclluloseartcn und AlginsBurcn vermischt. Diese organischen Zusätze bringen den Wassergehalt in einem wäßrigen orgnni sehen Zusatz ins (ileichgcwk-ht, so daß er sich für den !»rollvorhang eignet, l'.ine Batterie Pelletiermaschinen preßt das Gemisch in genau bemessene und geformte Preßlinge, die dann in die Öfen befördert und rasch auf Temperaturen unterhalb 1350°C erhitzt werden. An Stelle der in der Zeichnungsfigur gezeigten Pcllclisie-

f> rungspressen wurden Brikettiermaschinen mit ähnlichen Resultaten eingesetzt. Das Material wurde ebenfalls durch Walzen und Pressen extrudicrl. wie sie beispielsweise bei der Herstellung von Zenientformkörpcm und Brammen oder Blöcken verwendet werden,

ίο und der Preßling wurde in derselben Weise wie oben beschrieben einer Wärmebehandlung unterworfen. Die genaue Höhe der benutzten maximalen Temperatur wird durch den Kohlegchalt des Abfalls und durch die eingesetzten organischen Zuschläge bestimmt. Die Pcllctisicrungsmaschincn arbeiten mit Stoßgcschwindigkcilen von nicht über ein Impuls pro Sekunde und erzeugen Drücke von über b Tonnen.

B e i s ρ i e 1 3

Pulverisierte Flugasche wurde wie im Beispiel 1 gemischt, und der Brei wurde durch Walzenpressen geschickt, wie sie beispielsweise bei der Herstellung von Dachziegeln oder Bctonplatten verwendet werden.

Platten aus zusammengepreßtem Produkt, die etwa 5 cm dick waren, wurden unmittelbar in einen Ofen geschickt, dessen Temperatur über 1300"C lag. Das gebrannte Produkt konnte sich dann abkühlen und wurde zerbrochen und in zwei Größenbereiche eingeteilt, von denen der eine den Bereich zwischen 12,7 und 4,8 mm und der andere den Bereich zwischen 4,8 und 0 mm betraf. Die Gemische mit Zement wurden zu Blöcken geformt, die den Normcnvcrsuchcn unlcrwor-

.15 fen wurden, welche zu folgenden Werten führten:

Größe der Blöcke: Würfel mit einer Kantcnlänge von 15,2 cm; Dauer des F.rhärtens der Blöcke: 28 Tage; beide Größenbcrciche mit 50 Volumprozent Sand/Zement im Verhältnis 5 :1 gemischt.

12,7 bis 4,8 mm 4,8 bis 0 mm

Gewicht g/cm¹	1,98	1,98
Bruchfestigkeit l	73,5	79,5
45 Festigkeil kp/ein^J	320	348

Die von diesem Produkt erhaltenen Frgcbnisse /eigen, daß sich das Verfahren zur Herstellung von Zuschlagmatcrial verwenden laßt, das nicht die äußeren Formmerkmalc aufweisen muß. wie sie in den beiden vorherigen Beispielen erhalten wurden.

In dem hier beschriebenen Verfahren können auch verschiedene andere feine anorganische, teilchenförini· gc Materialien verwendet werden, wobei speziell an Lehm oder Ton gedacht ist,die bereits in der Industrie in der sogenannten gequollenen oder gesinterten Form verwendet werden. Derartige Tonteilchen werden bei der I Erstellung leichter Zuschlagstoffe und Ziegel weit verbreitet verwendet und lassen sich in Vorrichtungen

to ähnlich derjenigen behandeln, wie sie in der Zeichnung dargestellt ist, wobei die Tonteilchen und die gelöster oder suspendierten organischen Stoffe in cinerr Schneckenextruder miteinander vermischt werden. Die Vorfertigung von Materialien wie künstliche!

^ft* Aluminiumoxid oder Kohlenstaub oder Kaolin kam auch als Beispiel für Materialien dienen, die auf diesi Weise in hilzebeständige, künstliche Produkte verwnn dclt werden können.

Beispiel 4

Herstellung von Zuschlagstoffen aus Waschberge (Kohlebergwerkabraum), abgelagert auf Sergwerkskippen bzw. Kohlenhalden.

Das Material einer Kohlenhalde in Südwales, das Schieferbruch und zugehöriges Gestein sowie Kohle enthielt, wurde zu Pulver mit einer Korngröße von unter 0,42 mm gemahlen. Es wurde dann mil nassem Schlamm gemischt, der einer örtlichen Kläranlage entnommen wurde. Das Mengenverhältnis von Klärschlamm zu Pulver wurde entsprechend der Herstellung einer

brauchbaren Paste variiert, und diese Paste wurde dann einer Brikettiermaschine zugeführt, die Eierbriketts von 5,08 cm Durchmesser erzeugte. Diese »grünen«'Briketts wurden in einem Ofen bei einer Temperatur von 900 bis 1350⁰C behandelt. Das aus dem Ofen austretende Material wurde rasch in Wasser abgekühlt. Auf diese Weise wurde ein schnelles Verfahren zur Ausnutzung von Bergwerkshalden entwickelt, mit dem sich gesteinsähnliche Zuschlagstoffe erzeugen kissen, die sich als Ballaststoffe und Zuschlag für Beton bei der Herstellung von Gebäudefundamenten und Straßen eignen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Bauelementen oder Zuschlagstoffen für Bauelemente aus einer s Mischung aus Flugasche oder Waschberge und organischen Bindemitteln, du durch gekennzeichnet, dall Flugasche oder Waschberge mit Wasser und organischem Bindemittel vermischt und die Mischung bei einem Druck von mindestens 77 kp/cnV geformt und bei einer Temperatur von wenigstens 800 C mindestens 2 Minuten lang gebrannt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flugasche oder Waschberge mit 0.5 bis 10 Volumprozent Wasser, aas 0,2 bis 2 Gewichtsprozent organisches Bindemittel bezogen auf das Gewicht der Flugasche oder Waschberge enthält, gemisch» werden und die Mischung bis zu 5 Minuten Drücken von 77 bis 1540 kg/cm- ausgesetzt wird, wonach die gebildeten Preßlinge bei einer Temperatur zwischen 900 und 1350C für eine Zeitspanne von wenigstens 2 Minuten gebrannt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Stoffe wie Zucker, Stärke, Dextrin, Glutin, Zellulose, Schlamm van Abwasser klaranlagen, Humussauren und Alginsäuren als Zusätze bei der Herstellung der Preßlinge Verwendung finden.