DE3822608C2 - Sphärulisier- oder Kugelbildungsofen und Verfahren zur Herstellen von Glas- oder Glaskeramik-Perlen - Google Patents

Description

Sphärulisier- oder Kugelbildungsofen und Verfahren zur Herstellung von Glas- oder Glaskeramik-Perlen

Die Erfindung betrifft einen Spärulisier- oder Kugelbildungsofen zum Herstellen von Glas- oder Glaskeramik-Perlen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung umfaßt auch ein Verfahren zum Herstellen von Glas- oder Glaskeramik-Perlen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5. Ein derartiger Ofen und ein derartiges Verfahren sind bereits aus der US 4643753 bekannt.

Aus der DE-OS 25 15 279 ist zwar ein Sphärulisierofen bekannt, in welchem die Partikel unter Schwerkraft zugeführt werden. Jedoch sind die Partikel nicht fluidisiert.

In vorbekannten Spärulisieröfen wird partikelförmiges Rohmaterial der Basis einer vertikalen zylindrischen Brennkammer zugeführt, wo es von einer Brennerflamme in einer Sphärulisierzone umgeben wird und nach oben mitgerissen wird. Die Rohmaterialpartikel werden durch Kontakt mit der Flamme sphärulisiert; die entstehenden glasartigen Perlen werden vom Kopf der Brennkammer in einem Strom heißen Gases heraus und dann an Zyklone zum Sortieren und Sammeln fortgetragen. Die Aufgabepartikel werden in die Brennkammer von einem Strom eines Trägergases, gewöhnlich Luft oder einem Gemisch von Luft und Brenngas, gefördert.

In an sich bekannter Weise ist die Art und Weise, in welcher das Rohmaterial erwärmt wird, von erheblicher Wichtigkeit für die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens und auch für Qualität und Ausbeute an erzeugten glasartigen Perlen, insbesondere, wenn diese Perlen von zellförmiger, beispielsweise monozellulärer Struktur sein sollen. Ein schnelles Erwärmen ist günstig für das Sphärulisieren und/oder die Verglasung des Rohmaterials und erfordert einen guten thermischen Kontakt zwischen Flamme und Vorratsmaterial. Um ein Produkt gleichförmiger Qualität zu erreichen, ist es wichtig, daß die nach diesem Verfahren hergestellten Perlen gleichförmig in der Brennkammer behandelt werden; es ist auch wichtig, jede Tendenz des Feststoffmaterials zum Zusammenbacken bzw. Agglomerieren zu reduzieren. So sollten die Partikel derart gefördert werden, daß sie sich vernünftig trennen lassen, um deren Tendenz zum Zusammenbacken zu reduzieren; sie sollten einander gegen die Erwärmung nicht abschirmen; auch soll das Aufgabematerial in gleichförmiger Weise gefördert werden. Zum Einführen von Rohmaterialpartikel in den Trägergasstrom zum Einspeisen in die Sphärulisierkammer wurden bereits verschiedene Vorschläge im Hinblick auf dieses Ziel gemacht, sie waren jedoch nicht vollständig zufriedenstellend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sphärulisierofen mit verbesserten Rohmaterialfördereinrichtungen anzugeben.

Erfindungsgemäß ist ein Sphärulisier- oder Kugelbildungsofen gemäß Anspruch 1 angegeben.

Solch ein Sphärulisierofen verfügt über verbesserte Vorratsmaterialliefereinrichtungen. Die fluidisierten Partikel im Speicher werden notwendigerweise gut getrennt; diese Trennung wird aufrechterhalten, weil die Partikel unter Schwerkraft noch im Wirbelzustand der Sphärulisierzone des Ofens zugeführt werden, wo sie erwärmt und sphärulisiert werden. Eine Notwendigkeit, einen wesentlichen Trägergasstrom aufrechtzuerhalten, der diese Trennung stören würde, ist nicht gegeben. Die Aufgabeförderung kann bei gleichförmigem Durchsatz vor sich gehen.

Die Gleichförmigkeit des Durchsatzes der Aufgabematerialförderung kann weiter begünstigt werden, indem die Höhe der Wirbelschicht auf einem konstanten Niveau gehalten wird. Eine sehr einfache Art, dies auszuführen, besteht darin, Vorratsmaterial zum Speicher im Überschuß zu führen und es zu ermöglichen, daß im Überschuß vorhandenes Rohmaterial zum Rezyklisieren überströmt. Vorzugsweise jedoch verfügt dieser Speicher über wenigstens ein Überströmauslaßrohr auf einem höheren Niveau als dem eines Förderauslaßrohrs.

Vorteilhaft sind die Abgabeeinrichtungen so angeordnet, daß sie fluidisierte Partikel im wesentlichen symmetrisch zum Querschnitt dieser Sphärulisierzone liefern. Dies begünstigt die Gleichförmigkeit in der Erwärmung der Partikel unter der Annahme natürlich, daß das Temperaturprofil quer über die Sphärulisierzone symmetrisch ist.

Vorteilhaft sind Einrichtungen vorgesehen, um den Speicher zu erwärmen und die Partikel in der Wirbelschicht vorzuwärmen. Es hat sich herausgestellt, daß dies zu einer wirksameren Erwärmung des Aufgabematerials während des Sphärulisierens führt, was also Brennstoffeinsparung und Produktausbeute begünstigt. Der Speicher kann innerhalb der die Sphärulisierzone enthaltenden Kammer angeordnet sein, so daß die Hauptofenheizeinrichtung auch dazu dient, das Vorratsmaterial vorzuwärmen oder er kann außerhalb dieser Kammer angeordnet werden. Im letztgenannten Fall kann das Aufgabematerial durch das Fluidisiergas allein vorgewärmt werden, beispielsweise, nachdem das Gas durch einen Wärmeaustauscher passiert ist und beispielsweise durch Ofenabgase erwärmt wurde. Alternativ oder zusätzlich können Hilfsaufgabematerialheizeinrichtungen verwendet werden.

Die Erfindung richtet sich auch auf ein Verfahren zum Herstellen von Glas- oder Glaskeramik-Perlen gemäß Anspruch 5.

Dies ist ein sehr einfacher Weg, um einen wohl getrennten Strom von Aufgabepartikeln bei gleichförmigem Durchsatz zu fördern. Dies begünstigt Ausbeute und Gleichförmigkeit des Produktes und schafft eine Brennstoffeinsparung.

Nach bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird diese Wirbelschicht auf einer konstanten Höhe gehalten. Dies begünstigt einen gleichförmigen Durchsatz und gleichförmige Erzeugung.

Vorteilhaft werden die fluidisierten Partikel im wesentlichen symmetrisch zum Querschnitt der Sphärulisierzone gefördert. Dies begünstigt eine Gleichförmigkeit in der Erwärmung der Partikel, natürlich unter der Annahme, daß das Temperaturprofil quer über die Sphärulisierzone symmetrisch ist.

Vorteilhaft werden die Aufgabematerialpartikel in der Wirbelschicht vor der Förderung erwärmt. Dies führt zu einer wirksameren Erwärmung des Aufgabematerials während des Sphärulisierens und begünstigt Brennstoffeinsparung und Produktausbeute.

Das Verfahren nach der Erfindung ist geeignet zur Herstellung glasartiger Perlen unter Verwendung von Rohmaterial unterschiedlicher Zusammensetzung. Zur Herstellung fester Perlen ist es günstig, vorzerkleinerte Glasscherben der gewünschten Zusammensetzung zu verwenden. Zur Herstellung zellförmiger Perlen kann ein pelletisiertes Rohmaterial, welches Glasformer und ein Zelluliermittel einer an sich bekannten Zusammensetzung enthält, verwendet werden. Zur Herstellung eines Gemisches aus festen und zellförmigen Perlen ist es zweckmäßig, ein Rohmaterial aus Partikeln unvollständig verglasten und/oder nicht geläuterten Glases zu verwenden, wie beispielsweise in der britischen Patentschrift GB 2 176 774 A beschrieben. Alternativ können Partikel einer Glasformerzusammensetzung, welche chemisch gebundenes Wasser enthält, beispielsweise wie in den britischen Patentschriften GB 2 177 082 A und GB 2 177 083 A verwendet werden.

Das Verfahren nach der Erfindung ist auch geeignet zur Herstellung glasartiger Perlen unterschiedlicher Größe. Beispielsweise kann das Verfahren zur Herstellung fester Perlen mit Abmessungen in der Größe von 5 µm bis 800 µm oder mehr eingesetzt werden.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Diese zeigen in

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines Sphärulisierofens nach der Erfindung;

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform der Rohmaterialfördereinrichtung;

Fig. 3 eine Teilaufsicht der Rohmaterialfördereinrichtung nach Fig. 2 und

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Sphärulisierofen nach einer Ausführungsform einer Aufgabematerialliefereinrichtung.

Nach Fig. 1 umfaßt ein Sphärulisier- oder Kugelbildungsofen 1 zum Herstellen glasartiger Perlen eine Kammer 2, Einrichtungen 3 zum Beheizen der Kammer und Zuführungseinrichtungen 4 zum Liefern eines partikelförmigen Aufgabe- oder Rohmaterials an ein Ende 5 der Kammer sowie Einrichtungen 6 zum Sammeln glasartiger Perlen vom anderen Ende 7 der Kammer. Die Kammer 2 umfaßt ein Paar sich gegenüberstehender Wandungen 8, 9, die um ein Stück unter Abstand zueinander angeordnet sind, welches geringer als ihre Breite ist, um eine Sphärulisierzone zu bilden. Die Wandungen sind gegen die Horizontale so abgewinkelt, daß die Kammer 2 in obere 5 und untere Enden 7 unterteilt wird. Die Zuführungseinrichtung 4 ist so angeordnet, daß sie Aufgabematerial an das obere Ende der Kammer 2 liefert, so daß das Rohmaterial durch die Kammer 2 unter Schwerkraft passieren kann; die Heizeinrichtung 3 ist so angeordnet, daß sie wenigstens eine Wandung 8, 9 erwärmt, so daß das durch die Sphärulisierzone zwischen den Wandungen passierende Aufgabematerial durch Strahlungswärme erwärmt wird.

Die Kammer 2 hat vertikale Erstreckung und umfaßt ein äußeres Gehäusse 35, welches eine in vier Teile unterteilte Konstruktion trägt, von denen jeder eine Trägerkonstruktion 36, elektrische Heizeinrichtungen 26 und innere Kammerwandungen 8, 9 umfaßt. Die vier Paare sich gegenüberstehender innerer Wandungen 8, 9 der Kammer 2, welche die Sphärulisierzone bilden, sind je durch ein Paar paralleler vertikaler Graphitplatten gebildet; der Abstand zwischen diesen Platten nimmt die Kammer hinab zu.

Der vergrößerte Abstand der Kammerwandungen 8, 9, die Kammer hinab, ermöglicht es den Partikeln, sich beim Fallen durch die Sphärulisierzone auszubreiten, während die Gefahr eines Kontaktes zwischen den Partikeln und den Sphärulisierzonenwandungen auf einem niedrigen Niveau gehalten wird. Nach einem spezifischen Beispiel sind die Wandungen 8, 9 um 20 cm in ihren oberen Teilen und um 30 cm in ihren unteren Teilen unter Abstand angeordnet; in der Breite liegt dieser bei 1 m. Die optimale Höhe der Kammer 2 wird durch die gewünschte Verweilzeit der Partikel im Ofen bestimmt und hängt wiederum von der Größe der zu erzeugenden Perlen ab. Zum Erzeugen fester Glasperlen aus vorzerkleinerten Scherben sind geeignete Höhen vorgesehen: für einen mittleren Perlendurchmesser von 200 µm: 1,5 bis 2 m; und für einen mittleren Perlendurchmesser von 800 µm: 5 m.

Spalte zwischen aufeinanderfolgenden Platten in jeder Wandung sind vorhanden; Gas wird durch diese Spalte zur Bildung einer Grenzschicht nach unten gerissen. Dies reduziert auch jede Neigung, die die Partikel haben können, die Wandungen der Sphärulisierzone zu kontaktieren.

Weil die Sphärulisierzonenwandungen darüber hinaus aus Graphit bestehen, einem Material, welches durch schmelzflüssiges glasartiges Material nicht benetzt wird, haben alle Partikel, welche diese Wandungen kontaktieren können, eine geringe Neigung, hieran zu haften.

Die Heizelemente 26 können elektrische Widerstandsheizelemente sein; es kann sich aber auch um induktive Spulen für die Induktionsheizung der Graphitplatten handeln.

Nach einer Variante sind die Wandungen 8, 9 der Kammer 2 entgegengesetzt gegen die Vertikale geneigt, so daß sich zwischen diesen ein nach unten erweiternder Raum einstellt.

Die Anordnung ermöglicht es, daß längs der Sphärulisierzone unterschiedliche Bereiche verschieden erwärmt werden. Diese Differentialbeheizung ist besonders günstig bei der Herstellung von zellförmigen und/oder vitrokeramischen Perlen, das sind Perlen aus teilweise entglastem Glas. Beispielsweise hat sich herausgestellt, daß für gewisse Rohmaterialzusammensetzungen es wünschenswert ist, daß die Partikel expandieren können, während sie einer Temperatur im Bereich von 400°C bis 500°C ausgesetzt sind, um sie zum Sphärulisieren auf beispielsweise 800°C bis 900°C zu erwärmen und sie auf etwa 1200°C zur teilweisen Entglasung zu erwärmen, und zwar zur Herstellung zellförmiger vitrokeramischer Perlen.

Die Zuführungseinrichtung 4 umfaßt einen Aufgabematerialspeicher 16 mit einer porösen Sohle 17 und einer Leitung 18 zum Zuführen von Druckgas durch die Sohle zum Fluidisieren des Ausgangsmaterials im Speicher. Die Leitung 18 passiert einen Wärmeaustauscher 19 und wärmt ein Wirbelschichtgas und damit die Ausgangsmaterialpartikel im Speicher 16 vor. Der Speicher 16 ist in einer Kammer 20 angeordnet, die geschlossen ist bis auf den Fluidisiergaseinlaß, einen Ausgangsmaterialeinlaß 21 und einen Schlitzt 22, der symmetrisch über die Mitte der Sphärulisierzone angeordnet ist. Die Kammer wird so durch das Fluidisiergas unter Druck gesetzt, daß die Partikelzufuhr über den Schlitz 22 nicht durch irgendeinen natürlichen Zug durch die Sphärulisierzone nach oben behindert wird. Der Speicher 16 verfügt über eine Lippe 23, die oberhalb des Schlitzes 22 ausgerichtet ist, so daß fluidisiertes Ausgangsmaterial über diese Lippe strömen und nach unten durch den Schlitz 22 in die Heizkammer 2 zur Sphärulisierung fallen kann. Elektrische Hilfsheizeinrichtungen 24 sind in der Kammer 20 zum Vorwärmen des Rohmaterials angeordnet; der Wärmeaustauscher 19 ist innerhalb dieser Kammer 20 angeordnet.

Für eine Wirbelschicht von 500 kg Kapazität ist es zweckmäßig, als Speichersohle 17 eine Platte aus rostfreiem Stahl von 2 Quadratmeter Fläche mit einer Porosität von 35 µm zu verwenden.

Die verarbeiteten Perlen werden über ein Sammelrohr 25 gesammelt. Das Rohr 25 endet oberhalb eines Sammelspeichers 27 mit einer porösen Sohle 28 und einer Leitung 29 zum Zuführen komprimierten Gases durch diese Sohle, so daß die im Speicher gesammelten Perlen fluidisiert werden. Die Verwendung eines Wirbelschichtgases bei Umgebungstemperatur kühlt die sphärulisierten Perlen, so daß sie nicht agglomerieren. Der Speicher 27 ist in einer Kammer 30 angeordnet, die bis auf den Fluidisiergaseinlaß, einen Perleneinlaß 25, einen Perlenüberstromauslaß 31 und einen Saugeinlaß 32 geschlossen ist. Der Speicher 27 verfügt über eine Lippe 33, die so angeordnet ist, daß fluidisierte Perlen über diese Lippe strömen und nach unten durch den Perlenüberströmauslaß 31 fallen können. Ein Aspirator 34 ist mit dem Saugeinlaß 32 verbunden und hält einen geringen Unterdruck an der Basis des Sammelrohres 25 aufrecht, um jede Unterbrechung der Wärme aufgrund Wärmezuges nach oben zu überwinden, der in der heizenden Sphärulisierzone 2 erzeugt wurde.

Über den Überstromauslaß 31 strömende Perlen werden in einem Überstromsammler 37 gesammelt. Leichtere und/oder weniger dichte Perlen können nach oben durch den Fangeinlaß 32 gesaugt werden, wenn sie längs der Leitung 38 zu einem Zyklon 39 mit einem weiteren Sammler 40 an seiner Basis transportiert werden. Perlen, die den Zyklon passieren, werden über eine weitere Leitung 41 zu einem Hülsenfilter 42 mit einem Perlenendkollektor 43 an der Basis transportiert. Der Überstromsammler 37, der Zyklonsammler 39, 40 und der Hülsenfiltersammler 42, 43 können je mit einem Drehventil zum Abziehen von Perlenfraktionen ausgestattet sein. Das Hülsenfilter ist mit dem Aspirator 34 über die Leitung 44 verbunden; das angesaugte Gas, welches durch Wärmeaustausch mit den Perlen erwärmt wurde, kann über die Leitung 45 zur Aufgabekammer 20 gegeben werden und/oder kann in einem Wärmeaustauscher 46 gekühlt und zurück zur Basis der Heizkammer 2 über die Leitung 47 geführt werden.

Das Ganze ist ein im wesentlichen geschlossenes System und ist vorteilhaft mit Stickstoff gefüllt, um eine Oxidierung der Graphitplatten zu verhindern oder zu verzögern, welche die heizenden Wandungen 8, 9 der Sphärulisierzone und die elektrischen Heizelemente 26 bilden.

Nach einer Variante hat der in Fig. 1 dargestellte Ofen eine zylindrische Sphärulisierzone.

Die Fig. 2 und 3 zeigen eine alternative Ausführungsform der Aufgabenmaterialzuführungseinrichtung 4, die geeignet ist, um zusammen mit einem Sphärulisierofen der in Fig. 4 gezeigten Art verwendet zu werden.

Nach den Fig. 2 und 3 umfaßt die Aufgabematerialfördereinrichtung 4 vier quadrantenförmige Wirbelbettspeicher 16 mit porösen Sohlen 17, die sie von den Beruhigungskammern 49 trennen, die mit komprimiertem Fluidisiergas über die Leitung 18 versorgt sind. Die vier Speicher 16 sind in einem Kreis angeordnet und in gegenseitiger Verbindung in einer Fluidisier- oder Wirbelschicht über Rohre 50 angeordnet. Förderauslaßrohre 51 zum Zuführen fluidisierten Rohmaterials durch Überströmen in eine beheizte Sphärulisierzone sind vorgesehen, genauso wie Überströmauslaßrohre 52. Diese Überströmauslaßrohre 52 befinden sich auf einem höheren Niveau als die Förderaulaßrohre 51, so daß eine konstante Wirbelschichthöhe einfach aufrechterhalten werden kann, indem die Schicht über die Leitungen 21 mit einem Durchsatz beaufschlagt werden kann, der größer als der Schichtförderdurchsatz ist.

Nach einer in den Fig. 2 und 3 nicht gezeigten Ausführungsvariante sind die Förderauslaßrohre 51 ersetzt durch eine konische Rinne, durch welche die Aufgabematerialpartikel aus Schlitzen nach unten strömen können, die in den Innenwandungen der vier Wirbelschichtspeicher 16 ausgebildet sind.

Fig. 4 zeigt einen zylindrischen Turmofen 1 mit einer Verbrennungskammer 2, die eine Sphärulisierzone enthält, die mit einer Brenngasmischung durch ein Brennerrohr 3 versorgt wird. Zwei alternative Positionierungen 4A und 4B sind für die in Fig. 2 und 3 gezeigten Rohmaterialliefereinrichtungen 4 vorgesehen. Die Förderauslaßrohre 51 der unteren Rohmaterialliefereinrichtung (Position 4A) stehen in das Brennerrohr 3 vor und sind mit Kreissymmetrie angeordnet, so daß das Ausgangsmaterial dem Brenner gleichförmig zugeführt wird, wenn es nach oben durch das Brenngasgemisch zum Sphärulisieren in der Brennkammer 2 mitgerissen wird.

Die am oberen Ort 4B angeordneten Rohmaterialfördereinrichtungen befinden sich innerhalb der Brennkammer 2 und somit wird das hierin enthaltene Ausgangsmaterial durch die Brennerflammen vorgewärmt. Die Förderauslaßleitungen dieser Rohmaterialliefereinrichtungen müssen länger sein, um das Ausgangsmaterial auf dem gleichen Niveau wie die unteren Fördereinrichtungen an das Brennerrohr 3 zu liefern.

Claims (8)

1. Sphärulisier- oder Kugelbildungsofen (1) zur Herstellung von Glas- oder Glaskeramik-Perlen mit Zuführungseinrichtungen (4) zum Liefern partikelförmigen Ausgangsmaterials, einer Sphärulisierzone (8, 9), in welcher die Ausgangsmaterialpartikel erwärmte und in die Perlen umgeformt werden können, sowie Einrichtungen (6) zum Sammeln der entstehenden Perlen, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungseinrichtungen (4) einen Speicher (16) zur Aufnahme einer Wirbelschicht der Ausgangsmaterialpartikel aufweist, wobei der Speicher (16) wenigstens eine Überströmauslaßöffnung (23) hat, über welche fluidisierte Partikel unter Schwerkraft in die Sphärulisierzone (8, 9) strömen können.

2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (16) wenigstens ein Überströmauslaßrohr (52) aufweist, das auf einem höheren Niveau als ein Förderauslaßrohr (51) liegt.

3. Ofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abgabeeinrichtung (22) vorgesehen ist, die fluidisierte Partikel im wesentlichen symmetrisch zum Querschnitt der Sphärulisierzone (8, 9) liefert.

4. Ofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (24) vorgesehen sind, um den Speicher (16) zum Vorwärmen der Partikel in der Wirbelschicht zu erwärmen.

5. Verfahren zum Herstellen von Glas- oder Glaskeramik-Perlen, wobei das Ausgangsmaterial einer Sphärulisierzone (8, 9) zugeführt und längs dieser derart geführt wird, daß das Ausgangsmaterial erwärmt und in die Perlen umgeformt wird, wonach die Perlen gesammelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmaterial nach Aufnahme in einem Wirbelschichtspeicher (16) unter Schwerkraft in die Sphärulisierzone (8, 9) gefördert wird, wo es erwärmt und in die Perlen umgeformt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Wirbelschicht auf einer konstanten Höhe gehalten wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die fluidisierten Partikel symmetrisch zum Querschnitt der Sphärulisierzone (8, 9) zugeführt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsmaterialpartikel in dieser Wirbelschicht vor der Förderung erwärmt werden.