DE10342376B3

DE10342376B3 - Verfahren zum Betreiben einer Fragmentieranlage und Fragmentrieranlage zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10342376B3
Application number: DE10342376A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Frey; Ralf Strässner; Andreas Dr. Schormann; Kurt Giron; Harald Dr. Giese
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2003-09-13
Filing date: 2003-09-13
Publication date: 2005-07-07
Anticipated expiration: 2023-09-14
Also published as: EP1663498A1; ES2356314T3; CN1849172B; US20080283639A1; EP1663498B1; DE502004011912D1; ZA200602074B; RU2326736C2; JP2007504937A; AU2004274091A1; RU2006112208A; US8002209B2; AU2004274091B2; CA2555476A1; NO20061448L; ATE488298T1; CA2555476C; CN1849172A; DK1663498T3; NO330936B1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer elektrodynamischen Fragmentieranlage und eine solche vorgestellt.
Das sich in der Prozessflüssigkeit befindliche Fragmentiergut wird ständig in Schwebe gehalten und bildet eine Suspension mit der Prozessflüssigkeit. Der Anteil prozessierten Fragmentierguts, das die Zielkorngröße erreicht oder unterschritten hat, wird aus dem Reaktionsgefäß ausgetragen und das die Zielkorngröße überschreitende Fragmentiergut erneut der Reaktionszone zugeführt.
Die Fragmentieranlage besteht aus einem aufladbaren elektrischen Energiespeicher, einem daran angeschlossenen Elektrodenpaar, dessen beide Enden sich in einer in einem Reaktionsgefäß gefassten Prozessflüssigkeit auf Abstand gegenüberstehen. Das im Elektrodenzwischenraum bis zur und unterhalb der Zielkorngröße fragmentierte Gut wird in einem Abscheider in fest und flüssig getrennt und die aufbereitete Prozessflüssigkeit in das Reaktionsgefäß zurückgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Fragmentieranlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, zum effektiveren Mahlen von Fragmentiergut aus mineralischen und/oder spröden Materialien auf Zielkorngrößen < 5 mm und eine Fragmentieranlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7, die mit diesem Verfahren betrieben wird.

Die Fragmentieranlage beruht in ihrem technischen Prinzip auf der FRANKA-Technologie (FRANKA = Fragmentieranlage Karlsruhe), wie in der DE 195 34 232 C2 beschrieben. Die Fragmentieranlage besteht aus einem elektrischen Energiespeicher, der pulsartig in einem Reaktionsgefäß auf das Fragmentiergut in einer Prozessflüssigkeit zwischen zwei sich auf Abstand gegenüberstehenden Elektrodenenden – der Reaktionszone – entladen wird.

Beim Mahlen mit der Fragmentieranlage wird das zwischen den zwei Elektrodenenden in der Prozessflüssigkeit vorhandene Fragmentiergut durch elektrische Durchschläge und dabei entstehende Schockwellen zerkleinert. Diese mineralischen und/oder spröden Materialien können einheitlich, wie Gestein/Fels oder Glas, oder konglomeriert, wie beispielsweise Gestein und Beton, sein. Die Zielkorngrößen sind < 5 mm, vorzugsweise sogar < 2 mm. Fragmentierte Partikel unterhalb dieser Korngröße werden über Filterpatronen aus dem Prozessgebiet abgesogen. Siehe beispielsweise bei der Kies- und Sandgewinnung oder beim Mahlen von Farbkörpern, ganz allgemein von Stoffen, die nicht aus Verbünden bestehen. Fragmentiergut, wie es beim Abbruch eines Gebäudes etwa anfällt, wird, orientiert am abgesaugten Fragmentiergut, ständig in den Prozessraum nachgefüllt.

Die Fragmentieranlage besteht aus einem elektrischen Energiespeicher, der über eine Funkenstrecke impulsartig auf eine Last entladen wird. Die Last ist die Prozessflüssigkeit im Zwischenelektrodenbereich und das darin versenkte Fragmentiergut. Die zwei Elektroden stehen sich darin, mit ihrem jeweiligen Ende völlig eingetaucht, auf einem vorgegebenen, einstellbaren Abstand gegenüber. Üblicherweise ist die Prozessflüssigkeit in dem Reaktionsgefäß gefasst, in welchem das Fragmentiergut hineingeschüttet und das fragmentierte Gut unterhalb der vorgegebenen Schwelle für die Korngröße entnommen wird.

Aus der DE 195 46 914 C1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem das in der Prozessflüssigkeit befindliche Fragmentiergut ständig in Schwebe gehalten wird und damit eine Suspension mit der Prozessflüssigkeit bildet, bei dem aus dieser Suspension der Anteil prozessierten Fragmentierguts, das die Zielgröße erreicht oder unterschritten hat, durch den Siebbelag hindurchtritt und bei dem das die Zielkorngröße überschreitende Fragmentiergut, die Grobanteile, erneut der Reaktionszone zugeführt wird.

Bislang wird davon ausgegangen, dass das Mahlgut infolge der Entladungen zwischen den beiden Elektrodenenden, das sind meist die Hochspannungselektrode und der Boden bzw. ein Teilbereich davon, das Mahlgut bei den Impulsentladungen immer wieder genügend stark aufgewirbelt wird. Versuchsreihen haben aber gezeigt, dass die Aufwirbelung sehr unvollständig ist.

Das führte zu der Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, nämlich das in den Elektrodenzwischenraum eingebrachte Fragmentiergut durch In-Schwebe-halten effektiver zu fragmentieren und genügend zerkleinertes Fragmentiergut aus der Suspension aus Prozessflüssigkeit und Fragmentiergut auszutragen, um Prozesszeit und Energie einzusparen.

Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, wobei der im 1. Anspruch gekennzeichnete Schritt der Aufwirbelung des Fragmentierguts im mit Prozessflüssigkeit angefüllten Raum zwischen den Elektrodenenden und des am Boden des Reaktionsgefäßes abgesetzten Fragmentierguts wesentlich ist. Das sich in der Prozessflüssigkeit befindliche Fragmentiergut wird ständig in Schwebe gehalten und damit eine Suspension mit der Prozessflüssigkeit gebildet. Aus dieser Suspension wird der Anteil prozessierten Fragmentierguts, das die Zielkorngröße erreicht oder unterschritten hat, aus dem Reaktionsgefäß ausgetragen und das die Zielkorngröße überschreitende Fragmentiergut – das sind die Grobanteile – erneut der Reaktionszone zugeführt.

Gegenständlich wird diese Aufgabe durch eine Fragmentieranlage gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Angebaut an das oder in das Reaktionsgefäß ist eine das in der Prozessflüssigkeit eingebrachte Fragmentiergut in Schwebe haltende Einrichtung, da keine Luft, relative Dielektrizitätskonstante ε_r nahe 1, oder kein Gas, ε_r ebenso, in den Prozessraum eingebracht werden darf. Des weiteren ist an oder in dem Reaktionsgefäß eine Einrichtung angebracht, die aus der Suspension die Fragmentiergutanteile ab- und unterhalb der Zielkorngröße ausleitet, einer Einrichtung zur fest-flüssig-Trennung zuführt, und Fragmentiergut oberhalb dieser Zielkorngröße in die Reaktionszone des Reaktionsgefäßes zurückführt. Die von Fragmentiergut befreite Prozessflüssigkeit wird über die mindestens eine Rückleitung in das Reaktionsgefäß zurückgeführt.

In den Verfahrensansprüchen 2 bis 6 sind weitere Maßnahmen beschrieben, mit denen der Fraktionierungsvorgang von Fall zu Fall vorteilhafter durchgeführt werden kann. Um das Fragmentiergut wirksam in Schwebe zu halten, sind nach Anspruch 2 hydrodynamische, wie strömen, oder nach Anspruch 3 mechanische Maßnahmen, wie rühren oder schaufeln, geeignet. Strömungsrichtung und – stärke sowie Rühr- und Schaufelgeschwindigkeit sind zur Optimierung der Fragmentierung steuer- und einstellbar.

Zum Ausbringen des Prozessgutanteils wird nach Anspruch 4 die Aufstromklassierung eingesetzt. Daraus wird in einer fest- flüssig-Trennung der die Zielkorngröße überschreitende Grobanteil in das Reaktionszone zurückgeführt wird.

Nach Anspruch 5 wird diese Aufspaltung mit Hydrozyklonieren durchgeführt. Nach Anspruch 6 schließlich werden im Reaktor in die Prozessflüssigkeit eingetauchte Filter, wie Filterkörbe oder Filterpatronen, für dies Trennung eingesetzt.

In den gegenständlichen Ansprüchen 8 bis 12 sind Maßnahmen beschrieben, mit denen die Fragmentieranlage vorteilhaft ausgestattet werden kann.

Für einen wirtschaftlichen Dauerbetrieb der Fragmentieranlage ist das Aufrechterhalten der Suspension von Bedeutung. Die Einrichtung hierzu muss nach Anspruch 8 so auf- und eingestellt sein, dass das in der Prozessflüssigkeit befindliche Fragmentiergut ohne Bildung von Totbereichen in Suspension gehalten wird.

Nach Anspruch 9 ist zur Fraktionstrennung ein Aufstromklassierer aufgestellt. Eine alternative Lösung ist nach Anspruch 10 die Einrichtung zur Fraktionstrennung ein Hydrozyklon. Und nach Anspruch 11 schließlich sind solche Einrichtungen aus der Siebtechnologie bekannte Filter in Form von Körben, Patronen beispielsweise. Wobei dann aufgrund der Schockwelleneinwirkung infolge der elektrischen Entladung, der Abstand zum Elektrodenzwischenraum reinigungswirksam und zerstörungsvermeidend eingestellt ist. Die Intensität nimmt mit 1/r² von der Schockwellenquelle ab.

Einströmdüsen, durch die die bei der fest-flüssig-Trennung zurückgewonnene Prozessflüssigkeit in das Reaktionsgefäß gesteuert und gerichtet eingeleitet/eingeströmt wird, halten nach Anspruch 12 die Suspension mit aufrecht.

Durch diese Maßnahmen können Feinanteile des Mahlguts während der Fragmentierung in der Prozessflüssigkeit in Schwebe gehalten und immer wieder in den elektrischen Entladungsbereich rückgeführt werden. Dabei sitzt die Absaugpatrone oder auch sitzen die Absaugpatronen so, dass das fragmentierte Gut hochwahrscheinlich auf diese trifft und die hinreichend kleinen Korngrößen abgesaugt werden. Bei jedem Entladungsvorgang werden am Sieb der Absaugpatrone hängende, noch zu große Fragmente durch die von dem oder den Entladungskanälen ausgelöste Schockwelle/n abgeschüttelt.

Im folgenden wird das Verfahren und eine beispielhafte Fragmentieranlage anhand der Zeichnung näher erläutert. Eine Ausführungsform wird beschrieben, und zwar die Ausführung „Ringleitung" in Spezifizierung des Verfahrensanspruchs 2 und des gegenständlichen Anspruchs 8. Sie ist nach Voruntersuchungen eine strömungstechnisch günstige Lösung. Weitere Lösungsvarianten sind in einem gerichteten Rohr bzw. Rohrbündel zu sehen. Auf jeden Fall muss bei der Ausführung und dem Aufbau der Anlage darauf geachtet werden, dass Totstromgebiete vermieden werden, in denen sich Feinfraktionen ansammeln und ablagern würden.
Von der Fragmentieranlage wird lediglich das Reaktionsgefäß selbst dargestellt. Der elektrische Teil, das Ladegerät, der Energiespeicher und die Funkenstrecke, sind u.a. aus oben zitierten Quellen zum Stand der Technik bekannte Einrichtungen. Überwiegend ist der elektrische Energiespeicher eine Kondensatorbank, die mit zwischengeschalteten Funkenstrecken im Selbstdurchbruch auf die Last im Zwischenelektrodenraum im Reaktionsgefäß entladen wird. In Anlagen nach dem FRANKA-Typ ist der elektrische Teil ein Marx-Generator, dessen elektrische Aufladung und Entladung aus der elektrischen Hochleistungs-/spannungsimpulstechnik bekannt ist.
1 zeigt das tonnenförmige Reaktionsgefäß, das auf Stützen steht. Durch den Deckel hindurch ragt die bis zu ihrem freien Endbereich hin elektrisch isolierte Hochspannungselektrode 2 in das Innere des Reaktionsgefäßes 4. Die Hochspannungselektrode 2 ist im Deckel nicht starr geführt, so dass die von der elektrischen Entladung herrührende Stoß- und Schockwelleneinwirkung nicht übertragen werden kann. Der blankliegende metallische Endbereich ist vollkommen in die im Reaktionsgefäß 4 gefasste Prozessflüssigkeit 6, die hier Wasser ist, eingetaucht. Selbst der Isolationsmantel 11 ragt noch weit mit ins Wasser hinein. An ihm dürfen sich keine Kriechstrecken bei Langzeitbetrieb ausbilden. Die Gegenelektrode 3 ist der hier beispielsweise kugelartig gesenkte Boden des Reaktionsgefäßes 4 selber. Das kann der gesamte Boden sein oder auch nur ein zentraler Teilbereich davon. Auf jeden Fall ist die Gegenelektrode 3 an ein festes Potential, das Bezugspotential, im allgemeinen Erdpotential, angeschlossen. Auf der Erdpotentialelektrode ist, zentral abgelagert, Fragmentiergut 1 angedeutet. Der Entladungskanal soll sich, ausgehend von der Spitze der Hochspannungselektrode 2, durch das Fragmentiergut 1 hindurch zur Erdpotentialelektrode ausbilden, bzw. soll sich so ein kegelförmiges Gebiet aus Entladungskanälen von der Stirn der Hochspannungselektrode 2 zum zentralen Bodenbereich hin ausbilden.
Durch den Deckel des Reaktionsgefäßes 4 ragt die Wasserzuleitung 9 und die Ableitung für das mit Fragmentiergut versetzte Wasser von der Filterpatrone 7 her. Zu Optimierung des Fraktionierungsprozesses wird die Strömung, die für die Aufwirbelung sorgt, in ihrer Stärke und an ihrem Strömungsbeginn in der Richtung gesteuert. Diese Einrichtung zur Strömungserzeugung und Aufwirbelung des Fragmentierguts 1 umgibt hier die Hochspannungselektrode 2 koaxial. Die Zuleitung 9 speist in die koaxial sitzende Ringleitung 10 ein. Die Ringleitung ist elektrisch sicher und, Schockwellen mit erträglichem Aufwand widerstehend, an der Gefäßwand angebaut.
Die Düsen sind in Ihrer Ausströmrichtung ausrichtbar, so dass je nach Fragmentiergut 1 eine prozessoptimale Aufwirbelung einge stellt, bzw. nachgestellt werden kann. Die Strömungsstärke wird mit einer Pumpe, welche die reine Prozessflüssigkeit in die Ringleitung 10 drückt, eingestellt. Die Düsen richten die Strömungen am Boden entlag zum Bodenzentrum. Das dort abgesetzte oder sich absetzende Fragmentiergut 1 wird so ständig aufgewirbelt und in Suspension gehalten. Strömungslose Gebiete werden im gesamten Wasservolumen vermieden.
Die Filterpatrone 7 ist völlig in Wasser 6 eingetaucht. Das die Filterpatrone 7 umgebende Gitter bestimmt mit seiner Maschenweite die größte absaugbare Korngröße. Die durch die Filterpatrone 7 gelangende Suspension wird in der rechts im Bild angedeuteten Zentrifuge 8 in ihren Flüssiganteil, das Prozessflüssigkeit 6, und ihre Festanteile aufgetrennt. Das Wasser wird über die Zuleitung 9 zur Ringleitung 10 in das Reaktionsgefäß 4, eventuell zuvor mit Frischwasser versetzt, zurückgeführt.
Über den im Bild links vom Reaktionsgefäß 4 abstehenden Stutzen 13 wird neu zu fragmentierendes Gut nachgefüllt/-gekippt.
Je nach Größe des Reaktionsgefäß 4 ist es bei Wartungs- und Reparaturarbeiten eine erhebliche Erleichterung, wenn der. Boden des Reaktionsgefäß 4 abgeschraubt und über den Auslegerarm 12, der an der im Bild rechten Stütze drehbar lagert, weggedreht werden kann.

1: Fragmentiergut
2: Hochspannungselektrode
3: Elektrode auf Bezugspotential, Gegenelektrode
4: Reaktionsgefäß
5: Reaktionszone
6: Prozessflüssigkeit
7: Einrichtung, Filter
8: Einrichtung, Zentrifuge
9: Zuleitung, Rückleitung
10: Ringleitung
11: Isolationsmantel
12: Auslegearm
13: Stutzen

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Fragmentieranlage zum effektiveren Mahlen mineralischer und/oder spröder Materialien auf Zielkorngrößen < 5 mm, wobei die Fragmentieranlage aus einem elektrischen Energiespeicher besteht, der pulsartig in einem Reaktionsgefäß auf das Fragmentiergut in einer Prozessflüssigkeit zwischen zwei sich auf Abstand gegenüberstehenden Elektrodenenden – der Reaktionszone – entladen wird, dadurch gekennzeichnet, dass: das sich in der Prozessflüssigkeit (6) befindliche Fragmentiergut (1) ständig in Schwebe gehalten wird und damit eine Suspension mit der Prozessflüssigkeit (6) bildet, aus dieser Suspension der Anteil prozessierten Fragmentierguts (1), das die Zielkorngröße erreicht oder unterschritten hat, aus dem Reaktionsgefäß (4) ausgetragen wird, das die Zielkorngröße überschreitende Fragmentiergut (1) – das sind die Grobanteile – erneut der Reaktionszone (5) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das im Reaktionsgefäß (4) in der Prozessflüssigkeit (6) befindliche Fragmentiergut (1) hydrodynamisch in Schwebe gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das im Reaktionsgefäß (4) in der Prozessflüssigkeit (6) befindli che Fragmentiergut (1) mechanisch in Schwebe gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des prozessierten Fragmentierguts (1), der in dem Reaktionsgefäß (4) in etwa die Zielkorngröße erreicht oder unterschritten hat, durch Aufstromklassierung ausgebracht, anschließend einer fest-flüssig-Trennung ausgesetzt wird und daraus die die Zielkorngröße überschreitenden Grobanteile in die Reaktionszone (5) zurückgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des prozessierten Fragmentierguts (1), der in dem Reaktionsgefäß (4) die Zielkorngröße erreicht oder unterschritten hat, durch Hydrozyklonieren ausgebracht, anschließend einer fest-flüssig-Trennung ausgesetzt wird und die die Zielkorngröße überschreitenden Grobanteile in die Reaktionszone (5) zurückgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des prozessierten Fragmentierguts (1), der in dem Reaktionsgefäß (4) die Zielkorngröße erreicht oder unterschritten hat, durch in die Prozessflüssigkeit (6) eingetauchte Filter ausgebracht wird und die die Zielkorngröße überschreitenden Grobanteile von der Filteroberfläche wieder in die Reaktionszone (5) zurückgeführt werden.
Fragmentieranlage zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, bestehend aus: einem aufladbaren elektrischen Energiespeicher, einem daran angeschlossenen Elektrodenpaar (2) und (3), dessen beide Enden sich in einer in einem Reaktionsgefäß (4) gefassten Prozessflüssigkeit (6) auf Abstand gegenüber stehen, wobei eine der beiden Elektroden (3) auf einem Bezugspotential liegt und die andere – die Hochspannungselektrode (2) – über einen Ausgangsschalter aus dem Energiespeicher pulsartig mit Hochspannung beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass: an oder in dem Reaktionsgefäß (4) eine das in der Prozessflüssigkeit (6) eingebrachte Fragmentiergut (1) in Schwebe haltende Einrichtung eingebaut ist, an oder in dem Reaktionsgefäß (4) eine Einrichtung (7) angebracht ist, die aus der Suspension die Fragmentiergutanteile ab- und unterhalb der Zielkorngröße ausleitet, einer Einrichtung (8) zur fest-flüssig-Trennung zuführt und die vom Fragmentiergut (1) befreite Prozessflüssigkeit (6) über mindestens eine Rückleitung (9) in das Reaktionsgefäß (4) zurückführt.
Fragmentieranlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die die Suspension aufrechterhaltende Einrichtung das in der Prozessflüssigkeit (6) befindliche Fragmentiergut (1) ohne Bildung von Totbereichen durch die Reaktionszone (5) führt.
Fragmentieranlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die die aus der Suspension die Fragmentiergutanteile ab und unterhalb der Zielkorngröße ausleitende Einrichtung das Reaktionsgefäß (4) ist, welches als Aufstromklassierer ausgebildet ist.
Fragmentieranlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die die aus der Suspension die Fragmentiergutanteile ab und unterhalb der Zielkorngröße ausleitende Einrichtung das Reaktionsgefäß (4) ist, welches als ein Hydrozyklon aus gebildet ist.
Fragmentieranlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die die aus der Suspension die Fragmentiergutanteile ab und unterhalb der Zielkorngröße ausleitende Einrichtung mindestens ein die Zielkorngröße berücksichtigendes Filter (7) ist.
Fragmentieranlage nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessflüssigkeit (6) aus der fest-flüssig-Trennung durch eine oder mehrere Düsen derart in das Reaktionsgefäß (4) zurückgeführt wird, so dass das Fragmentiergut (1) in der Reaktionszone (5) möglichst vollständig in Schwebe gehalten wird.