[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Zerstäuben von Schmelzen, insbesondere
von flüssigen Schlacken mit einem Tundish für die Aufnahme der Schmelzen und einem
in oder an der Auslauföffnung angeordneten Zerstäuberkopf, an welchem ein Kühlraum
für die zerstäubte Schmelze angeschlossen ist.
[0002] Zum Granulieren und Zerkleinern von flüssigen Schlacken wurde bereits vorgeschlagen,
diese mit Dampf oder Treibgas in Granulierräume auszustossen, wobei in der Folge eine
weitere Zerkleinerung auch in Strahlmühlen unter Verwendung von Treibgasstrahlen möglich
war. Ausgehend von üblichen Schlackentemperaturen geschmolzener Schlacken zwischen
1400° und 1600° C besteht aufgrund der relativ hohen Temperaturdifferenz zwischen
einem Treibgasstrahl und der flüssigen Schlacke die Gefahr der Ausbildung mehr oder
minder großer Agglomerate sowie die Gefahr einer Fadenbildung, welche in der Folge
den Zerkleinerungsaufwand erhöhen und die Abkühlgeschwindigkeit empfindlich verringert.
[0003] In der AT 407 247 wurde bereits vorgeschlagen, eine Schmelze aus einem Schmelzentundish
mit Fluid unter Druck auszustossen, wobei hier insbesondere Druckgas, Dampf oder Druckwasser
in Richtung des Schlackenaustritts aus dem Tundish eingepreßt wurde. Der Schlackentundishauslauf
erfordert bei derartigen Ausbildungen besondere Maßnahmen um zu verhindern, daß die
Auslauföffnung zufriert und es wurde daher vorgeschlagen, ein höhenverstellbares Wehrrohr
im Bereich des Schlackenauslaufes in den Tundish abzusenken, um die jeweils ausströmende
Menge regulieren zu können, wobei der Treibgasstrahl koaxial zur Achse der Auslauföffnung
eingebracht wurde und der Tundishauslauf unmittelbar in den Kühlraum mündet. Bei einer
derartigen Ausbildung des Zerstäuberkopfes als Düse, in welche koaxial der Strahl
einer Treibgaslanze mündet, muß in der Regel ein hoch überhitzter Dampf eingesetzt
werden, um ein Zuwachsen der Öffnung zu verhindern, wobei je nach Zusammensetzung
der Schmelze und insbesondere bei höherem Eisenoxidgehalt der Schmelze auch hohe Anforderungen
an das Feuerfestmaterial gestellt werden. Analoges gilt für die Ausbildung des höhenverstellbaren
Wehrrohres, welches bei aggressiven Schmelzen einem hohen Verschleiß unterworfen ist
und daher eine aufwendige Regelung für die korrekte Einstellung der Höhenlage des
Wehrrohres erfordert. Neben einer derartigen Ausbildung des Zerstäuberkopfes als Austrittsdüse
aus einem Schlackentundish sind weitere Ausbildungen beispielsweise der AT 406 954
B zu entnehmen, wobei hier die flüssige Schlacke in eine unter Unterdruck stehende
Expansionskammer eingesaugt wird und mit einem Treibstrahl in die Kühlzone transportiert
wird.
[0004] In der AT 405 511 ist ein Verfahren zum Granulieren und Zerkleinern von schmelzflüssigem
Material beschrieben, bei welchem flüssige Schlacke im freien Fall mit Druckwasserstrahlen
beaufschlagt wird, worauf die erstarrte und granulierte Schlacke gemeinsam mit dem
gebildeten Dampf über eine pneumatische Förderleitung und einen Verteiler geführt
wird. Das auf diese Weise verteilte Material kann unmittelbar in einer Strahlmühle
weiter zerkleinert werden. Die prinzipiellen Abläufe beim Granulieren und Zerkleinern
von schmelzflüssigem Material durch Beaufschlagen mit Dampf sind auch in der EP 683
824 B1 bereits beschrieben, wobei hier eine Mischkammer vorgesehen ist, in welche
Wasser, Wasserdampf und/oder Luft-Wassergemische eingedüst werden, worauf das verdampfte
Wasser gemeinsam mit dem erstarrten Material über einen Diffusor ausgestossen wird.
Der Zerstäuberkopf ist bei einer derartigen Ausbildung als Mischkammer mit anschließendem
Diffusor ausgebildet, wobei auch in diesem Fall schmelzflüssige Schlacke aus einem
entsprechenden Vorratsgefäß oder einem Tundish zugeführt werden kann.
[0005] In der AT 407 152 B wird festes Material in einem Schmelzzyklon erschmolzen, wobei
an den druckfest verschließbaren Schmelzzyklon unmittelbar ein Kühlraum angeschlossen
ist, welcher in der Folge unter geringerem Druck als der Schmelzzyklon gehalten werden
muß, um den Austritt des Materials aus dem Schmelzzyklon in den Kühlraum zu ermöglichen.
Da bei einem derartigen Verfahren die erforderliche Schmelzwärme im Schmelzzyklon
aufgebracht werden muß, wird bei der Verbrennung von Brennstoffen im Schmelzzyklon
eine hohe Gasmenge erzeugt, welche in der Folge eine entsprechend aufwendige Reinigung
erfordert. Eine Regelung eines derartigen Verfahrens ist nur in dem Umfang möglich,
in dem voraussetzungsgemäß die entsprechende Schmelzwärme bereitgestellt wird, sodaß
insbesondere eine Reduktion der produzierten Gasmenge und eine Einstellung an die
gewünschten Kühlbedingungen im Rahmen eines derartigen Schmelzzyklones nicht erzielt
werden kann.
[0006] Die Erfindung zielt nun darauf ab, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu
schaffen, bei welcher die Enthalpie geschmolzener Schlacken unmittelbar genützt werden
kann und ohne Gefahr eines Zufrierens der Schlackenaustrittsöffnung eines Tundish
mit Treibgasen wesentlich geringerer Temperatur auch aggressive Schlacken, welche
Feuerfestmaterialien in hohem Maße angreifen würden, zuverlässig granuliert werden
können, wobei gleichzeitig die gewünschten Erstarrungsparameter in weiten Grenzen
variiert werden können. Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die erfindungsgemäße Einrichtung
der eingangs genannten Art im wesentlichen darin, daß der Zerstäuberkopf als Heißzyklon
ausgebildet ist, welcher in den Kühlraum mündet und daß an den Heißzyklon Brenner
und/oder Treibgasdüsen angeschlossen sind. Dadurch, daß ein Heißzyklon als Zerstäuberkopf
eingesetzt wird, wird im Bereich des Schlackenaustrittes aus dem Tundish eine vorzeitige
Abkühlung und damit ein Zuwachsen des Tundishauslaufes, wie er bei Einblasen von relativ
kühlem Treibgas beobachtet werden kann, vermieden, wobei im Zyklonzerstäuberkopf in
besonders einfacher Weise und mit geringen baulichen Maßen die entsprechende kinetische
Energie zur Beschleunigung der Teilchen aufgebracht werden kann, welche in der Folge
auch in kurzbauenden Einrichtungen ein rasches Abkühlen und Granulieren ermöglicht.
Der Heißzyklon als Zerstäuberkopf erlaubt es zu allem Überfluß beispielsweise durch
Anordnung einfacher Brenner die jeweils gewünschte Schmelzentemperatur einzustellen,
welche nach dem Austritt aus dem Zyklon eine rasche Ausbildung kleinster Partikel
und damit eine rasche Abkühlung gewährleisten. Die Schlackenschmelze kann hiebei beispielsweise
unter Ausbildung eines Dampfpolsters an den Wänden des Heißzyklones von der Auskleidung
ferngehalten werden und beispielsweise mittels Naßdampfstrahl zu Schlackenfestpartikel
granuliert werden, wobei der Wärmestoffaustausch im Heißzyklon besonders günstig verläuft.
Der an den Heißzyklon unmittelbar angeschlossene Kühlraum kann hiebei als Teil und
insbesondere als unterer Teilbereich des Zyklons in den Zyklon integriert sein und
über die entsprechenden Anschlüsse für das Eindüsen von Kühlmitteln eine einfache
Regelung der Kühlgeschwindigkeit bei insgesamt kleinbauenden Einrichtungen gewährleisten.
[0007] Mit Vorteil ist die erfindungsgemäße Ausbildung so getroffen, daß die Achsen der
Treibgasdüsen in der Axialsicht tangential zur Achse des Heißzyklones münden, wodurch
dem Schlackenstrahl die entsprechende kinetische Energie vermittelt wird, um eine
rasche Zirkulation im Heißzyklon zu ermöglichen. Mit Vorteil können hiebei die Treibgasdüsen
als Schlitzdüsen ausgebildet sein und sich in axialer Richtung des Mantels des Heißzyklones
erstrecken, wobei besonders günstige Strömungsbedingungen dadurch erzielt werden können,
daß sich die lichte Weite der Schlitzdüsen in Richtung zur Austragsöffnung des Heißzyklones
verjüngt. Als Treibmedium können prinzipiell verschiedene Medien eingesetzt werden,
wobei die jeweils gewünschte Temperatur über zusätzliche Brenner aufrechterhalten
werden kann. Als Treibmittel eignet sich bevorzugt Treibdampf im Druckbereich zwischen
1,5 und 6 bar mit Temperaturen zwischen 200° und 800° C, sodaß eine aufwendige Überhitzung
des Dampfes entfallen kann.
[0008] Um mit derartigen Treibgasstrahlen eine rasche zirkulierende Strömung im Heißzyklon
sicherzustellen, ist die Ausbildung mit Vorteil so getroffen, daß die Auslauföffnung
des Schmelzentundish außerhalb der Achse des Heißzyklones in diesen mündet. Eine gerichtete
Strömung in Richtung zum Kühlraum läßt sich in einfacher Weise dadurch erzielen, daß
die Achsen der Treibgasdüsen mit der Projektion der Achse des Heißzyklones einen spitzen
Winkel einschließen und abwärts gerichtet verlaufen.
[0009] Prinzipiell kann bei Integration des Kühlraumes in den unteren Teilbereich des Zyklones
die Ausbildung so getroffen werden, daß die Austragsöffnung des Heißzyklones in den
Kühlraum im Querschnitt dem lichten Querschnitt des Heißzyklones entspricht. Wenn
im unteren Teilbereich des Zyklones eine weitere Beschleunigung der Umfangsgeschwindigkeit
erzielt werden soll, kann der untere Abschnitt aber auch einen konischen Auslaufbereich
aufweisen, wobei die Mündung in den nachfolgenden Kühlraum dann einen geringeren lichten
Querschnitt als der größte lichte Querschnitt des Heißzyklones aufweist.
[0010] Mit einer derartigen Einrichtung gelangen bereits vorzerkleinerte Partikel mit relativ
hoher Temperatur in den Kühlraum, wobei die Regelung der Kühlgeschwindigkeit in der
Folge aufgrund des raschen Wärmestoffüberganges mit einfachen unterschiedlichen Maßnahmen
gelingt. Insbesondere können mehrere Kühlkreisläufe vorgesehen sein und es können
an den Kühlraum Düsen für den Einstoß von Wasser, Dampf und/oder Kohlenwasserstoffen
angeschlossen sein, welche unabhängig voneinander und entsprechend regelbar mit dem
jeweiligen Medium beaufschlagt werden. Bei Verwendung von Kohlenwasserstoffen wird
aufgrund der Zersetzungswärme bzw. die stark endotherme Spaltung in Kohlenmonoxid
und Wasserstoff ein wertvolles Brenngas gebildet, wobei im Falle des Einstoßes von
Wasser oder Wasserdampf in der Folge Kohlenmonoxid mit Wasser noch zu CO
2 und H2 umgesetzt werden kann. Die gebildeten Brenngase können nach einer Dampfkondensation
unmittelbar weiter verwendet werden, wobei insbesondere die Zugabe von Kohlenwasserstoffen
eine besonders einfache Temperaturregelung ermöglicht.
[0011] Prinzipiell ist es vorteilhaft auch die Granulatendtemperatur den jeweiligen Bedürfnissen
anpassen zu können. Eine Granulatendtemperatur kann mit Vorteil über einen Zeitraum
von 2 bis 15 Minuten auf 300° bis 500° C gehalten werden, wobei ein derartiges Halten
der Granulatendtemperatur unmittelbar zu einer Schlackenaktivierung führt. Beim Einsatz
des Endproduktes in Mischzementen führt dies zur verbesserten Frühfestigkeit.
[0012] Um wie erwähnt beim Einstoß von Kohlenwasserstoffen die gebildeten Brenngase entsprechend
nutzen zu können, ist mit Vorteil die Ausbildung so getroffen, daß an den Heißzyklon
oder den Kühlraum eine Gasleitung zum Austragen von heißen Gasen, wie z.B. Synthesegas
und/oder Brenngasen, angeschlossen ist. Das gebildete Abgas kann entweder energetisch
verwertet werden oder aber auch zur Vorreduktion oder Feinerzvorwärmung bzw. zur Heißdampfgewinnung
herangezogen werden.
[0013] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen Fig. 1 eine schematische Ansicht
eines erfindungsgemäßen Zerstäuberkopfes teilweise im Schnitt, Fig. 2 einen Ansicht
in Richtung des Pfeiles II der Fig. 1, Fig. 3 eine abgewandelte Ausbildung des Zerstäuberkopfes
und Fig. 4 eine weitere Ausbildung eines Heißzyklon-Zerstäuberkopfes im Querschnitt.
[0014] In Fig. 1 ist ein Schlackentundish 1 ersichtlich, dessen Auslauföffnung 20 mittels
eines Schlackenfluss-Regelorganes, wie z.B. eines höhenverstellbaren Stopfens 2, verschließbar
ist. Der Schmelzeauslauf mündet in einen Heißzyklon 3, wobei die Achse 4 der Mündung
20 exzentrisch zur Achse 5 des Heißluftzyklones 3 angeordnet ist. Über einen Düsenkasten
6 wird Treibmedium beispielsweise überhitzter Dampf oder Naßdampf eingeblasen, wobei
sich eine entsprechende Dampfschicht an der Innenauskleidung des Mantels des Heißzyklones
3 ausbildet und auf diese Weise die Feuerfestauskleidung des Heißzyklones 3 geschützt
wird. Der Schlackenstrahl 7 erstarrt zu kleinsten Partikeln 8, welche über die Treibdüsen
im Heißzyklon in Rotation versetzt werden. Der an den Heißzyklon anschließende Kühlraum
9 weist konische Wände auf, sodaß in diesem Bereich noch eine Beschleunigung der Rotation
erfolgt. In diesen Kühlraum 9 kann über Düsen 10 Kühlmedium eingestossen werden. Wenn
über die Düsen 10 Kohlenwasserstoffe eingestossen werden, wird über die zentrale Ableitung
11 nicht nur überhitzter Dampf und Feinstaub, sondern auch Brenngas, welches durch
die Umsetzung von Kohlenwasserstoffen zu CO und H
2 sowie gegebenenfalls eine nachfolgende Umsetzung von CO mit H
2O zu CO
2 und H
2 gebildet wurde, abgezogen.
[0015] In Fig. 2 ist der Düsenkasten wiederum mit 6 bezeichnet, wobei hier der Schlackenstrahl
7 durch die im wesentlichen tangential gerichteten Düsen für Naßdampf, welche mit
12 bezeichnet sind, am Umfang des Heißzyklones 3 in in Umfangsrichtung verlaufende
Bahnen 13 abgelenkt wird und gleichzeitig erstarrt. In Fig. 1 ist die Austragsöffnung
aus dem Kühlraum des Heißzyklones als Zellradschleuse 14 ausgebildet, wobei das Heißgranulat
in einer Wanne aufgefangen werden kann.
[0016] Anstelle der Einzeldüsen 12 in Fig. 2, welche in axialer Richtung der Achse 5 des
Heißzyklones in mehreren Ebenen angeordnet sein können, können auch Längsschlitzdüsen
vorgesehen sein, wobei eine Mehrzahl derartiger Düsen über den Umfang verteilt angeordnet
werden kann.
[0017] Bei der Darstellung nach Fig. 3 ist der Schmelzetundish wiederum mit 1 bezeichnet,
wobei die Details des Heißzyklones 3 näher ersichtlich sind. Die tangential und in
Richtung der Achse abwärts gerichteten Düsen sind wiederum mit 12 bezeichnet, wobei
hier koaxial zur Achse 5 des Heißzyklones Brenner 14 ersichtlich sind, über welche
die Temperatur der Teilchen im Heißzyklon beispielsweise auf 900° bis 1500° C gehalten
werden kann, bei welcher Temperatur die Teilchen in den darunterliegenden Kühlraum
9 austreten. Bedingt durch die hohe Umfangsgeschwindigkeit verlassen die Schmelze-Tröpfchen
den Heißzyklon in einem durch die Linien 15 als Erzeugende begrenzten Kegel, wobei
sie gleichzeitig langsamer werden. In den Kühlraum münden Düsen 16 und 17, über welche
gesondert regelbar Treibdampf, Kühlwasser oder Kohlenwasserstoffe eingespeist werden
können. Über eine derartige Mehrzahl von Kühlkreisläufen läßt sich die Kühlgeschwindigkeit
und die Abkühlcharakteristik in weiten Grenzen regeln.
[0018] Über die Düsen 12 kann Treibdampf mit einem Druck zwischen 1,5 und 6 bar bei Temperaturen
zwischen 200° und 800° C eingebracht werden, wobei im vorliegenden Fall 100 bis 600
kg Dampf pro Tonne Schlacke ausreichen, um die gewünschte Verwirbelung und damit die
Partikelfeinheit im Heißzyklon 3 zu gewährleisten. Auch bei dieser Ausbildung kann
die Schlackenschmelze über eine Dampfpolster an der Wand des Heißzyklones 3 abrinnen,
wofür Naßdampfstrahlen eingesetzt werden können, welche die Schlacken zu Schlackenfestpartikeln
granulieren. Im Heißzyklon 3 erfolgt hierbei ein extrem guter Wärmestoffaustausch,
wobei der zusätzlich gebildete Dampf nur geringen Druckverlust zur Folge hat. Insgesamt
kann der Heißzyklon extrem kleinbauend ausgebildet werden.
[0019] Gegenüber den bekannten Ausbildung kann somit das Wehrrohr im Schlackentundish 1
entfallen, wobei sich die Regulierung des Schlackenzuflusses auf die Betätigung des
Stopfens 3 beschränkt. Da im Bereich der Mündung des Tundish keine nennenswerte Abkühlung
erfolgt, besteht auch keine Gefahr des Einfrierens der Schmelze im Bereich der Mündung
des Schlackentundish. Durch entsprechende Regelung der Kühlmittelzufuhr über die Düsen
16 und 17 läßt sich auch die Granulatendtemperatur in dem gewünschten Ausmaß regeln.
[0020] Bei der Ausbildung nach Fig. 4, bei welcher eine abgewandelte Ausbildung des Heißzyklones
3 im Schnitt ersichtlich ist, sind eine Mehrzahl von tangential mündenden Treibgasdüsen
12 als Schlitzdüsen ausgebildet, welche aus einem Ringraum 18 mit Treibmedium, insbesondere
Treibdampf, gespeist werden. Der Ringraum 18 wird von einer Außenwand 19, welche konzentrisch
zum Mantel des Heißzyklones 3 angeordnet ist, begrenzt.
[0021] Zur Abtrennung von Feinstkorn, kann, wie in Fig. 1 ersichtlich, im Kühlraum 9 ein
Sichterrad 21 angeordnet sein, sodaß nur Feinstkorn mit den Gasen abgezogen wird.
[0022] In Fig. 5 schließlich ist der Auslaufbereich 22 des Heißzyklones selbst konisch ausgebildet,
sodaß hier noch eine weitere Beschleunigung der Rotation vor dem Eintritt in die Kühlkammer
erfolgt, wodurch die Tröpfchengröße verringert werden kann.
1. Einrichtung zum Zerstäuben von Schmelzen, insbesondere von flüssigen Schlacken mit
einem Tundish (1) für die Aufnahme der Schmelzen und einem in oder an der Auslauföffnung
(20) angeordneten Zerstäuberkopf, an welchem ein Kühlraum (9) für die zerstäubte Schmelze
angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zerstäuberkopf als Heißzyklon (3) ausgebildet ist, welcher in den Kühlraum (9)
mündet und daß an den Heißzyklon (3) Brenner und/oder Treibgasdüsen (12) angeschlossen
sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Treibgasdüsen (12) in der Axialsicht tangential zur Achse (5) des
Heißzyklones münden.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Treibgasdüsen (12) als Schlitzdüsen ausgebildet sind und sich in axialer Richtung
des Mantels des Heißzyklones (3) erstrecken.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die lichte Weite der Schlitzdüsen (12) in Richtung zur Austragsöffnung des Heißzyklones
(3) verjüngt.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslauföffnung (20) des Schmelzentundish (1) außerhalb der Achse (5) des Heißzyklones
(3) in diesen mündet.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Treibgasdüsen (12) mit der Projektion der Achse (5) des Heißzyklones
(3) einen spitzen Winkel einschließen und abwärts gerichtet verlaufen.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Austragsöffnung des Heißzyklones (3) in den Kühlraum (9) im Querschnitt dem lichten
Querschnitt des Heißzyklones (3) entspricht oder über einen konischen Auslaufbereich
(22) einen geringeren lichten Querschnitt aufweist.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Heißzyklon (3) mit Treibgas im Temperaturbereich zwischen 200° und 800° C und
einem Druck zwischen 1,5 und 6 bar, insbesondere Treibdampf, beaufschlagt ist.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an den Kühlraum (9) Düsen für den Einstoß von Wasser, Dampf und/oder Kohlenwasserstoffen
angeschlossen sind.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an den Heißzyklon (3) oder den Kühlraum (9) eine Gasleitung zum Austragen von heißen
Gasen, wie z.B. Synthesegas und/oder Brenngasen, angeschlossen ist.