DE2834792C3 - Vorrichtung zur Granulierung von Schlackenschmelze - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Granulierung von Schlackeschmelze.

Da Schlackeschmelze insbesondere im Zusammenhang mit der Raffination von Metallen in metallurgischen öfen wie Hochöfen, Konvertern, Elektroöfen, Flammofen und dergl. in gewaltigen Mengen und mit hohem Wärmegehalt anfällt, ist anzustreben, die Schlacke in umweltfreundlicher Weise zu beseitigen, sie als nutzbare Substanz zu gewinnen und die Wärme als Energiequelle rückzugewinnen. Bei einer solchen Schlackeumwandlung ist die Größenverteilung des Granulats abhängig von dem weiteren Verwendungszweck, im Falle einer Verwendung als Zuschlagstoff mit leichtem Gewicht bei der Betonherstellung für Bauzwecke sind aber Schlackengranulate mit einem mittleren Durchmesser von 2 bis 3 mm, einem Maximaldurchmesser von etwa 5 mm, einer gleichförmigen Größenverteilung und einer Festigkeit anzustreben, die etwa derjenigen von Flußsand entspricht.

Zur Granulierung der Schlackenschmelze zur Bildung solcher Zuschlagstoffe ist ein Verfahren bekannt, welches das Phänomen der Selbstgranulation der Schlackenschmelze beim Auftreffen auf eine nichtbenetzende Oberfläche ausnutzt. Dabei wird die Schlacke in Form eines kontinuierlich fallenden Strahles auf einen Zielkörper derart gelenkt, daß eine Kollision mit der Oberfläche des Zielkörpers mit einer bestimmten spezifischen Geschwindigkeit erfolgt und die Schlacke sofort von der Oberfläche wieder abspringt, ohne daran zu haften und ohne die Oberfläche zu benetzen, so daß ein konusförmiger Schmelzschlackefilm an der Kollisionsstelle gebildet wird, wobei die Normale zu der Oberfläche die Symmetrieachse des Konus oder Kegels ist und der Kegel an seinem offenen Ende in eine Reihe von diskreten Ringen abgewandelt wird, die während des Sehwebens in der Luft nach und nach in eine große Anzahl von Granulatkörnern koagulieren.

Diese Verhältnisse sind schematisch in F i g. 1 veranschaulicht, wobei ein Schmelzschlackestrahl 1 auf

ίο eine drehende Zieltrommel 2 gelenkt wird und beim nichtbenetzenden Abprallen einen Schlackefilmkegel bildet, dessen Zentri- oder Öffnungswinkel am Kollisionspunkt A um eine Normale B zur Zieloberfläche 20 beträgt, wobei die Granulatkörner 3 gleichförmig verteilt in allen Richtungen von der Normalen B aus entlang des Mantels des erläuterten Kegels C wegfliegen.

Um die erläuterte Selbstgranulation beim nichtbenetzenden Abprallen zu erzielen, sollte die Zielfläche aus einem solchen harten, wärmebeständigen und wärmeleitendem Material wie Eisen, Flußstahl, rostfreier Stahl, Kupfer, Graphit oder keramischen Stoffen bestehen, die im Bedarfsfalle mit einer harten Oberfläche verstärkt werden können, wozu beispielsweise eine Aluminisierung, Pf.rkerisierung, Chrombeschichtung, Aufkohlung, Nitrierhärtung oder mörtelartige Beschichtung mit einer Speziallegierung in Frage kommen Weiterhin sollte die Oberfläche in hoher Oberflächengüte bearbeitet sein und sauber und kühl gehalten werden.

jo Weiterhin ist es bekannt, daß eine Besprühung oder Beschichtung der Kollisionsfläche mit einem Film aus einem solchen Material, welches eine Anhaftung der Schlackeschmelze auf der Fläche vermeidet, wie beispielsweise Wasser, Aluminiumpulveranstrich, öl, Kalkmilch oder Graphilpulveranstrich von Nutzen ist, um die Oberfläche einsatzfähig zu halten oder wieder zu machen. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird eine solche Oberfläche als nichtbenetzende Oberfläche und ein solches Material, welches einen eine Anhaftung verhindernden Film ergibt, als nichtbenetzendes Material bezeichnet.

Zwar hat eine rotierende Zieltrommel sich als für das Verfahren durchaus geeignet erwiesen, jedoch ergibt sich dabei ein Nachteil. Da die Selbstgranulation durch die Gesetze der Strömungsdynamik beherrscht wird, kann die Größe des Schmelzenstrahles 1 nicht beliebig vergrößert werden, ohne andere Faktoren ebenfalls zu ändern. Dies bedeutet, daß für eine Verarbeitung einer großen Menge an Schlackeschmelze in einer einzigen Vorrichtung die Anzahl der Strahlen 1 erhöht werden muß. Dies ist schematisch in F i g. 2 veranschaulicht, wo die Ellipsen D die Konturlinien der sich ausbreitenden Granulatkegel C veranschaulichen. Da die Symmetrieachsen B der beiden Kegel parallel zueinander liegen, schneiden die Granulatkegel C einander in einem Bereich, in dem noch eine hohe Granulatdichte vorliegt, so daß die Kollision von Granulatkörnern in der Luft häufig ist und viele unerwünscht große Granulatkörner erzeugt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Granulierungsvorrichtung, mit der eine große Anzahl von Schlackestrahlen verarbeitet werden kann, ohne daß die erläuterten übergroßen Granulatkörner auftreten.

»ή Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalendes Anspruchs 1 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Ein Ausführungsbei-

spiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Veranschaulichung der Vorgänge bei der Selbstgranulation durch nichtbenetzendes Abprallen,

Fig.2 eine schematische Veranschaulichung der Verhältnisse bei der Arbeit mit zwei benachbarten Schlackestrahlen,

Fig.3 eine schematische Schnittdarstellung eines kegelförmigen Granulatzielkörpers einer erfiudungsgemäßen Vorrichtung und

Fig.4 einen schematischen Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform einer Wärmegewinnungseinrichtung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung

In F i g. 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Granulierungsvorrichtung in einem schematischen Schnitt veranschaulicht. Dabei ist mit 4 eine konische Zielfläche mit einer nichtbenetzenden Oberfläche an der Auftreffseite bezeichnet, wobei die Achse des Kegels parallel zum Strahl 1 d>.· Schlackeschmelze liegt und die Abmessungen des Kegeis durch einen öffnungs- oder Zentriwinkel 2φ, eine Höhe Λ und einen Radius 2r am unteren Ende gegeben sind. Mit 5 ist eine Grundplatte bezeichnet, mit 6 eine drehende Welle, mit 7 ein Drehantriebsmechanismus, mit 8 eine Kühlmitteleinlaßleitung, welche die Welle 6 umgibt, jedoch ortsfest bleibt, mit 9 ein Satz von Kühlmitteldüsen, mit 10 eine Kühlmittelauslaßleitung, welche die Welle 6 und die Leitung 8 umgibt, dabei aber ortsfest bleibt, und mit 11 Dichtungen zur wasserdichten Verbindung der sich bewegenden Teile 4 und 5 mit den ortsfesten Teilen 8 und 10.

Die Schlackeschmelze wird aus einem nicht näher dargestellten Behälter wie einem Tundish durch Düsen in der Form des Schlackeschmelzestrahles abgelassen, wobei die Anzahl der Düsen und damit der Strahlen und deren Anordnung so gewählt sind, daß die vorbestimmte Gesamtmenge der Schlackeschmelzenströmung mehr oder weniger gleich auf die Düsen und damit auf die Strahlen aufgeteilt ist. Dabei sind die Strahlen geradlinig nach unten auf den Zielkörper 4 gerichtet und ist die Anordnung so getroffen, daß die Schlackeschmelze die erforderliche Auftreffgeschwindigkeit unter dem Einfluß des hydrostatischen Druckes im Schlackebad im Behälter und während des freies Falles erhält. Die Schlackenschmelze trifft auf den Zielkörper 4 an entsprechenden Auftreffpunkten A auf und wird in Form von Granulatkörnern 3, die jedoch immer noch schmelzflüssig sind, konisch oder kegelig (Kegel C) mit einem öffnungs- oder Zentriwinkel von 2Θ abgeschleudert. Dabei wird der Zielkörper 4 langsam gedreht, beispielsweise in einigen -zig Drehungen pro Minute, wozu der Antriebsmechanismus 7 und die Welle 6 dienen. Gleichzeitig erfolgt eine Kühlung de:: Zielkörpers von innen über die Kühlmitteldüsen 9, die gegenüber der Auftreffzone oder den Auftreffpunkten A zur Erzielung einer besonders intensiven Kühlwirkung entsprechend angeordnet sind. Der Zielkörper 4 kann durch Aufbringen eines nichtbenetzenden Materials in irgendeiner bekannten Weise auf die Auftrefffläche nichtbenetzend gemacht werden, wobei die nichtbenetzende Substanz auch als von außen her wirkendes Kühlmittel genutzt werden kann.

Da keine Zentrifugalwirkungen des Zielkörpers bei der erfindungsgemäßen Granulation der Schlackeschmelze eine Rolle spielen, dient die Drehung des Zielkörpers lediglich zur Verbesserung der Kühlung. Daher kann die Drehgeschwindigkeit des Zielkörpers in beliebiger Weise gewählt werden, lis ist auch möglich, den Zielkörper vollständig ortsfest zu halten, wenn entweder die Kühlung ausreichend wirkungsvoll ist oder die Oberfläche auch ohne Zwangskühlung nichtbenetzend bleibt, beispielsweise im Falle einer Ausbildung der Oberfläche aus Graphit oder Porzellan. Als Kühlmittel eignet sich am besten Wasser, jedoch kommen auch jegliche anderen bekannten Kühlmittel in Frage. In jedem Fall kann das Kühlmittel im Bedarfsfalle

ίο rezierkuliert werden, wozu ein geschlossener Kreislauf unter Einschluß der Einlaßleitung 8, der Düsen 9, der Grundplatte 5 und der Auslaßleitung 10 mit einer nicht näher dargestellten Pumpe dient.

Die erforderliche Auftreffgeschwindigkeit ist für jede Schlacke in Abhängigkeit von deren Viskosität und Oberflächenspannung im einzelnen zu bestimmen, wobei beispielsweise für Schlacke aus Hochöfen mit etwa 1400° C bekanntlich Auftreffgeschwindigkeiten von 2 bis 20 m/s Granulatkörner mit mittleren Durchmessern zwischen 1 und 4 mm ergeben. Weiterhin ist bekannt, daß für diese Schlacken ein günstiger Halb-öffnungsv.'inkel des Kegels Cbei etwa 60° bis 80° liegt, und daß, wenn zwei Auftreffpunkte im Abstand von etwa 30 cm auseinanderliegen, praktisch keine unerwünscht großen Granulatkörper auftreten, selbst wenn die beiden Achsen der Kegel im wesentlichen parallel liegen.

Wenn die Anzahl der Düsen und damit der Schlackeschmelzstrahlen 1 mit N angenommen wird.

jo der Abstand zwischen zwei benachbarten Strahlen mit Iß der Abstand und die Höhenlage der Amftreffpunkte A mit r bzw. h/l bezeichnet wird, so ergibt sich der Zusammenhang:

und h = 2r/tan q .

Dabei sollte der Winkel φ so groß als möglich gewählt werden, da diejenige Komponente der Auftreffgeschwindigkeit zur Selbstgranulation beiträgt, die senkrecht zur Zielfläche liegt. Andererseits, je größer der Winkel φ wird, um so komplizierter wird die innere Konstruktion. Unter Berücksichtigung auch dieses Gesichtspunktes wird ein Winkel φ in der Größenordnung zwischen etwa 60° und 80° bevorzugt.

Wenn somit N= 5, r=45cm und Λ =30 cm gewählt wird, so ergibt sich /, zu 52,9 cm und der Winkel ψ zu 71,6°, also Werte, welche die Anforderungen erfüllen.

so Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die gleichzeitig zur Rückgewinnung der Wärme geeignet ist, ist in Fig.4 in einem schematischen Schnitt veranschaulicht. Hierbei ist wiederum mit 4 die kegelige Zielfläche veranschaulicht, welche im wesentlichen dieselbe ist, die auch in Fig. 3 dargestellt ist, jedoch mit einigen kleineren Abwandlungen. Mit 12 ist ein Tundish, mit 13 ein Schlackenschmelzbad, mit 14 ein Düsensatz, mit 15 ein Granulatkühler, mit 16 ein Schild, mit 17 eine Außenwand und mit 18 ein

Mi Abzugskanal bezeichnet.

Die Schlackenschmelze wird von einem nicht näher dargestellten Ofen aus in üblicher Weise entweder kontinuierlich oder intermittierend dem Tundish 12 zugeführt, wo das Schlackeschmelzbad 13 in einer

hi vorbestimmten Tiefe h_s gehalten wird. Die Ausbildung der Düsen 14 mit Bezug auf die Zielfläche 4 entspricht der Erläuterung im Zusammenhang mit F i g. 3, während innerhalb des Zielkörpers 4 der Kühlmittelauslaßkanal

10 nun als Kühlmittelspeicher 10/4 ausgebildet ist, der zusammen mit der Grundplatte 5A, deren offener Rand in den Speicher 10Λ eintaucht, einen Kühlmittelzirkulationsumlauf bildet.

Die an der Zielfläche 4 gebildeten Granulatkörner fallen unmittelbar oder nach einer gewissen Anzahl von Kollisionen mit Jer Zielfläche in den Granulatkühler 15. Es existiren N verschiedene Granulatkegel, wobei jeder Kegel gegenüber den anderen unterschiedlich ausgerichtet ist. Deshalb erfolgt keine Verschneidung der Kegel, solange eine dichte Verteilung der einzelnen Granulatkörner vorliegt, jedoch ergibt sich infolge einer möglichen Überlappung der Kegel und einem wiederholten erneuten Auftreffen der einzelnen Granulatkörner eine Verteilung des Granulates, die im wesentlichen gleichförmig in dem Raum oberhalb des Kühlers 15 ist. Daher ist es bevorzugt, den Kühler 15 im wesentlichen in Ringform auszubilden, wobei die Zielfläche 4 konzentrisch hierzu angeordnet ist. Bei einem Kühler 15 mit einer solchen Ausbildung kann jeder Granulator verwendet werden, der Granulat symmetrisch zur Ringachse des Kühlers erzeugt, wie beispielsweise die horizontale Zieltrommel gemäß Fig. 1, bei der der Schlackestrahl direkt am obersten Punkt auftrifft.

Der Kühler 15 ist bevorzugt als fluidisiertes Bett ausgebildet, welches beispielsweise aus einem pulverigen Kühlmittel wie hydro-granulierter Schlackesand, zertrümmerten feuerfesten Steinen oder Graphitpulver bestehen kann. Der Schild 16 verhindert eine Befeuchtung des Bettes des Kühlers 15 durch Spritzer des Kühlmittels im Speicher 10A und schützt umgekehrt den Kühlmittelspeicher 10/4 vor einer Überhitzung durch das Hochtemperaturgas, welches der Kühler erzeugt. Weiterhin ist der Kühler 15 in nicht näher dargestellter Weise mit all den Ausrüstungen versehen, die erforderlich sind, um einen Wärmetausch zwischen den auftreffenden Schlackegranulatkörpern und einem kühlenden und fluidisierenden Gasmedium wie beispielsweise Luft oder Stickstoff, die Trennung der gekühlten Granulatkörper vom Pulver des Bettes und die Wiedergewinnung der gekühlten Granulatkörper aus dem Kühler 15 zu ermöglichen. So ist der Kühler 15 wenigstens mit einem Fluidisierungsmechanismus. einem Granulatseparator, einer Granulataustragvorrichtung, einem Kühlpulver-Einspeiser und einem Kühlgas-Einspeiser versehen, zusammen mit den entsprechenden Steuerhandhaben.

Der konische Zielkörper 4, der Kühlmittelspeicher 10.4 und der Granulatkühler 15 mit den zugehörigen Ausrüstungen sind alle innerhalb des Mantels 17 in Ausrichtung gegenüber dem Tundish 12 angeordnet. Der Mantel 17 ist mit einem Zugkanal 18 versehen, durch welchen hindurch das erwärmte Gas innerhalb des Mantels 17 einer nicht näher dargestellten, an sich bekannten Einrichtung zur Wärmenutzung wie etwa einem Abwärmekessel zugeleitet wird. Die Innenseite des Mantels 15 kann mit einem wärmebeständigen, wärmeisolierenden und bevorzugt nichtbenetzendem Material beschichtet sein. Graphit, Porzellan und, obwohl nicht besonders gut wärmeisolierend, Metallplatten mit Wassermänteln eignen sich hierfür. Es liegt auf der Hand, daß mit der Vorrichtung sowohl die fühlbare Wärme als auch die latente Wärme der Schlacke entzogen werden kann.

Die Auslegung einer Anlage gemäß den F i g. 3 und 4 zur Beseitigung von Schlacke aus einem Hochofen mit einer Temperatur von 1400° C und einem Anfall von 30 t/h erfolgt folgendermaßen: Um Granulatkörner mit einem mittleren Durchmesser von 2 bis 3 mm zu erhalten, müssen als Faktoren oder Parameter der Massestrom q der durch die Düse 14 strömenden Schlackeschmelze sowie deren Geschwindigkeit ιί <-, bestimmt werden, weiterhin die Höhe h, des unteren Endes des Tundish 12 gemessen von der Oberfläche des fluidisierten Bettes des Granulatkühlers 15, die Tiefe A_s des Schmelzschlackebades 13 innerhalb eines gewünschten Tiefenbereiches, der Abstand h_n zwischen

κι dem unteren Ende des Schlackebades 13 und dem unteren Ende der Düse 14, der gleich ist der Summe der Dicke f, des Bodens des Tundish und der Länge I_n der Düse, also Λ_π =/,+ /,* der Abstand h_p zwischen dem unteren Ende der Düse 14 und der Spitze des konischen

ι <; oder kegeligen Zielkörpers 4, der Radius r„ der Düse 14, der Abstand /?,- zwischen dem unteren Ende des Zielkörpers 4 und der Oberfläche des fluidisierten Bettes des Granulatkühlers 15, der innere Radius IR des Granulatkühlers 15, der gleich gewählt werden kann zum Radius des Zielkörpers 4 an seinem unteren Ende, und der äußere Radius OR des Granulatkühlers 15, der dem inneren Radius des Mantels 17 entsprechen kann.

Bei den Werten von beispielsweise N= 5, q= 100 kg/ min, /-„=7,5 mm, A_I=45cm, A„=22cm und /»_p=85cm ergibt sich eine Geschwindigkeit vi von 3,6 m/s und n> von 8,1 m/s, eine Kollisionsgeschwindigkeit, welche den Anforderungen entspricht. Wenn /, zu 12 cm gewählt wird, ergibt sich /„ zu 10 cm.

Wenn weiterhin hf zu 50 cm gewählt wird, so ergibt

jo sich h,= hf+h+h_p-t,= 1,75m, OR=5,\ m und IR=90 cm ( = 2r). Der Wert von OR wird so berechnet, daß alle Granulatkörper in das fluidisierte Bett des Kühlers 15 fallen, ohne den Mantel 17 zu berühren. Wenn daher die Innenoberfläche des Mantels 17 in der

)5 erläuterten Weise nichtbenetzend ausgeführt wird, so daß die Granulatkörper davon zurückprallen, so kann der Wert von OR beliebig weit dem Wert von IR angenähert werden.

Weitere Abwandlungen und Abänderungen sind möglich. So kann beispielsweise die konische Zielfläche 4 abgestumpft, also als Kegelstumpf ausgebildet sein. Die Auftreffpunkte können an irgendwelchen anderen Stellen der Zielfläche gewählt werden. Da die Granulatkörner im normalen Betrieb die Richtung nicht wechseln, wenn die Flugbahn einmal eingeschlagen worden ist, kann die Grundplatte 5 vollständig entfallen. Weiterhin kann dadurch, daß der Granulatkühler 15 als bewegtes Bett mit einem darin angeordneten Wärmetauscher angeordnet ist, das Kühlmedium für die

so Wärmerückgewinnung beim Kühler 15 völlig unterschiedlich und unabhängig von dem Gas innerhalb des Mantels 17 gewählt werden. Der Granulatkühler 15 kann weiterhin in verschiedene Einheiten unterteilt werden, die jeweils unabhängig voneinander arbeiten.

Wie die vorstehenden Erläuterungen zeigen, ergibt die Granulierungsvorrichtung mit gleichzeitiger Wärmerückgewinnung nach der vorliegenden Erfindung eine hohe Produktivität, da eine große Menge an Schlackenschmelze gleichzeitig verarbeitet werden kann. Dabei kann die Schlacke, die ansonsten einfacher Abfall wäre, in energie- und rohstoffsparender Weise in eine nutzbare Substanz umgewandelt werden und ergibt eine entsprechend ausnutzbare Wärmeenergiequelle. Infolge der geschlossenen oder gekapselten Anordnung, welche ein Entweichen von Stäuben und giftigen Gasen vermeidet, erfolgt keine Belastung der Umwelt Der einfache und stabile Aufbau ergibt geringe Kosten für die Herstellung, Montage und Wartung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Granulierung von Schlackenschmelze, dadurch gekennzeichnet, daß ein Tundish (12) mit einem Satz von Düsen (14) vorgesehen ist, welche Schlackeschmelzenstrahlen (1) auf einen konischen oder kegelförmigen Zielkörper (4) leiten, und daß der Zielkörper (4) mit seiner Kegelachse parallel zu den Schmelzestrahlen (1) angeordnet ist und eine Auftrefffläche aus einem harten, wärmebeständigen und wärmeleitenden Material mit hoher Oberflächenfeinheit besitzt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Kühlmittelstrahldüsen (9) zur Beaufschlagung der Innenseite des kegelförmigen Zielkörpers (4) mit Kühlmittel, durch eine Kühlmitteleinlaßleitung (8) zum Anschluß der Düsen (9). und durch eine Sanimei- und Rezirkulierungseinrichtung für das Kühlmittel nach Beaufschlagung der Innenseite des Zielkörpers (4).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Granulatkühler (15) unterhalb des kegeligen Zielkörpers (4) konzentrisch mit diesem in der Form eines Ringes, durch einen den Zielkörper (4) und den Granulatkühler (15) an der Unterseite des Tundish (12) einschließenden Mantel (17). und durch einen Zugkanal (18) zur Abführung von Hochtemperaturgas zu einem Wärmeverbraucher.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halb-Öffnungswinkel (φ) des kegeligen Zielkörpers (4) zwischen etwa 60° und 80° liegt.