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Verfahren zur Herstellung einer wäßrigen Emulsion zum Umhüllen von
stückigen Brennstoffen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer
wäßrigen Emulsion zum Umhüllen von Stückkohle, Briketts und Koks aus einem Kohlenwasserstoffbinder,
wie Bitumen oder Pech, und einer kolloidalen Substanz, wie Bentonit, als Stabilisator.
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. Die modernen automatischen Feuerungen für die Kohleverbrennung
verlangen eine gewisse Agglomeration der Asche, die im allgemeinen durch den Verschlackungsgrad
bestimmt wird, welcher definiert ist als das Verhältnis des Gewichts der agglomerierten
Asche zu dem der gesamten Ascheprodukte (agglomerierte und pulverförmige Anteile).
Für eine bestimmte Feuerung ist der Grad der Verschlackung direkt abhängig von der
Schmelztemperatur der Asche, die ihrerseits durch die Art der in der verbrannten
Kohle enthaltenen mineralischen Stoffe bedingt ist.
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Es ist bekannt, daß man die Schmelztemperatur von schwer schmelzbaren
Aschen durch Zusatz von alkalischen oder eisenhaltigen Mineralien zu der Kohle herabsetzen
kann. In der Praxis verwendet man als Flußmittel Kalk, Magnesia, Soda, Dolomit oder
Eisenerze, die reich an Ferrioxyd (Fe209) sind. Für jeden Kohletyp läßt sich die
am besten geeignete Zusammensetzung des Flußmittels herausfinden; es genügt, dieses
im Moment der Verwendung der Kohle zuzusetzen. Allerdings ist diese Zugabe im Moment
der Verwendung nur für großindustrielle Anlagen brauchbar, aber kaum für mittlere
oder kleine Feuerungen geeignet.
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Aus diesem Grunde ging das Bestreben dahin, das Flußmittel auf den
Kohlestücken zu fixieren. Es soll möglichst schon bei der Wäsche zugesetzt werden
können, damit die Kohle mit entsprechender Schmelztemperatur der Asche an die Verbraucher
geliefert werden kann.
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So verwendet man gewöhnlich zur Fixierung der Flußmittel Öle oder
Calciumchloridlösungen, denen man ein Netzmittel zugesetzt hat. Diese Verfahren
haben den zusätzlichen Vorteil, den Staub zu binden, aber sie besitzen auch zwei
schwerwiegende Nachteile: die angewendeten Mittel verschmutzen die Keller, da sie
in den Boden einziehen, und sie bleiben an den Schuhsohlen haften und machen diese
glitschig, ferner sind sie bei Lagerung im Freien den Witterungseinflüssen gegenüber
nicht lange beständig.
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Es ist ein Verfahren zum Anfärben von Kohle bekannt, gemäß dem die
Kohle in vorzugsweise wäßrige Lösungen oder Suspensionen der Farbstoffe mit oder
ohne Zusatz von Bindemitteln getaucht wird. Das Aufbringen der Farbstoffe kann auch
durch Versprühen oder Verstäuben der genannten Mittel auf die Kohle oder in anderer
Weise erfolgen. Der gleiche Zweck wird mit einem anderen Verfahren verfolgt, nach
dem basische Farbstoffe in Wasser gelöst werden. Man läßt den Farbstoff dann auf
Ton aufziehen und bringt die Tonsuspension in geeigneter Weise auf die Kohle auf.
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Schließlich ist ein Verfahren zur Staubbindung und zum Schutz der
Kohle gegen Feuchtigkeit und Oxydation bekannt. Es wird hierbei durch die Emulsion
auf der Kohle ein besserer Glanz und Farbton hervorgerufen, was jedoch offensichtlich
nur auf den durch die Bitumen-Wasser-Emulsion hervorgerufenen Effekt beruht, nicht
aber durch Zusatzstoffe erzielt wird. Dies wäre in der Tat auch nicht möglich, da
eine wäßrige Dispersion mit einem Asphalt- oder Kohlenteerpechgehalt von etwa
50 Volumprozent verwendet wird. Dieser hohe Prozentsatz an bituminösen Stoffen
würde ein Durchschlagen etwa zugesetzter Farbstoffe praktisch ausschließen.
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Die Erfindung hat zum Ziel, ein Verfahren zur dauerhaften Fixierung
von Additiven auf Kohle zu entwickeln, das die Nachteile der bekannten Prozesse
nicht aufweist. Wie beim Bekannten, bietet das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls
den Vorteil der Staubbindung und kann auch zum Fixieren eines Farbstoffes benutzt
werden, wobei dieser Farbstoff auch zugleich die Eigenschaften eines Flußmittels
haben kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die
Emulsion aus Wasser mit einem Gehalt an 2 bis 5 Gewichtsprozent eines natürlichen
oder synthetischen Kolloides unter ständigem Rühren und Erwärmen hergestellt wird,
daß in diese Emulsion das oder die auf die Brennstoffe aufzutragenden feinzerkleinerten
Additive,
etwa 10 Gewichtsprozent, suspendiert und daß nach Zusatz eines Emulgators
allmählich etwa 10 Gewichtsprozent eines niedrigschmelzenden Kohlenwasserstoffbinders
bei etwa 800 C
zugemischt werden.
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Nach einer anderen Ausführungsform kann man die Kohle auch in die
Emulsion eintauchen -und abtropfen lassen.
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Die vollständige Benetzung der Kohlestücke mit der Emulsion wird besonders
dadurch begünstigt, daß die erfindungsgemäße Emulsion eine bedeutend niedrigere
Viskosität hat als die bisher üblichen Emulsionen mit bis zu 50 Volumprozent
Bitumen oder Pech. Nach dem Verdampfen des Wassers verbleibt wegen der Anwesenheit
der filmbildenden gelierenden Substanz auf ihnen ein leicht hygroskopisches, anhaftendes
Häutehen. Das spätere Quellen dieses Films unter dem Einfluß von Wasser wird durch
die Anwesenheit des Kohlenwasserstoffbinders (Bitumen oder Pech) herabgesetzt. Dieser
verhindert sowohl das Aufreißen des Schutzhäutchens bei der Einwirkung von Regen
als auch das Abblättern des Gels unter Sonneneinwirkung. Im Freien oder im Keller
gelagert, schwitzt die be-
handelte Kohle nicht und behält auf jedem Stück
den fixierten Stoff. Weitere Vorteile und Besonderheiten der Erfindung gehen aus
der nachstehenden Beschreibung und den Beispielen hervor.
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Man stellt zunächst -in der Wärme ein 2- bis 3 0/,iges Bentonitgel
her, indem man den Bentonit in der nötigen Menge 80'C warmen Wassers unter
lebhaftem Rühren dispergiert. Der kolloidale Ton quillt und verteilt sich im Wasser.
Da die Herstellung von Bentonitdispersionen mit einem so niedrigen Gehalt an kolloidalem
Ton zu Verlusten führen kann, empfiehlt es sich, _ein Gel mit 5 bis
10 0/0 Bentonitgehalt herzustellen und erst später zu verdünnen. Je nach
der Wasserhärte sind die Bentonitdispersionen mehr oder weniger viskos. Unter fortgesetztem
Rühren trägt man das auf Sieb 80
(DIN 1934) zerkleinerte Additiv ein.
Man fügt dann einen Emulgator zu, dessen Menge sich nach seiner Wirksamkeit richtet.
Bitumen oder Pech mit einem genügend niedrigen Schmelzpunkt (KS-Punkt nach Krämer
und S arnow 40 bis 60'C) wird ge# schmolzen, und als dünner Strahl
in die auf 80'C erwärmte und lebhaft gerührte Dispersion eingebracht.
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Man kann auf diese Weise stabile wäßrige Emulsionen bis hinab zu Konzentrationen
von etwa 100/ 0
Bitumen erhalten. Die Stabilität dieser Emulsionen ist beachtlich
und bleibt mehrere Tage, wenn nicht sogar Wochen, erhalten (diese Zeit hängt wesentlich
von dem verwendeten Wasser ab). Diese Emulsionen haben einen mehr oder weniger ausgeprägten
thixotropen Charakter. Sie eignen sich sehr gut für die Behandlung der Kohle durch
Eintauchen oderBesprengen. Im Falle einer Tauchbehandlung schwimmt die Kohle an
der Oberfläche der Ernutsion, was die Abtrennung des behandelten Gutes begünstigt.
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- Eine mit Emulsionen von 10 0/, Bitumen- und
10
Flußmittelgehalt (Dolomit oder Eisenerz) behandelte Kohle wurde auf einem
Metallnetz über einem Auffanggefäß ausgebreitet und mehrere Tage dem Regen ausgesetzt.
Am Schluß des Versuchs war das im Bem' hälter aufgefangene Wasser sauber; die behandelte
Kohle hatte ihr Aussehen und die Asche ihren Schmelz.# punkt nicht geändert; das
Flußmittel ist also durch den Regen nicht fortgespült worden.
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Man erhält die gleichen Ergebnisse, wenn man das Bentonitgel durch
eine 100/jge Natriumsilicatlösung, eine 2 bis 30/jge Lösung von Carboxymethylcellulose
oder eine andere kolloidale Lösung mit geeigneten Eigenschaften ersetzt.
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Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebrachten aktiven Zusätze
werden auf der Oberfläche der Kohle in einem Film festgehalten, der sich auf den
Stücken bildet. Solche Filme werden z. B. erhalten, wenn man Emulsionen von Pech
oder Bitumen in Bentonitgel verwendet. Im Falle einer Anfärbung der behandelten
Kohle lassen sich in diesem Film außerdem Farbstoffe oder Farbpigmente festhalten.
Das kann beispielsweise erreicht werden durch Fixierung des Farbstoffes oder Pigmentes
auf dem koffoidalen Mittel, bevor man dieses in die wäßrige- Emulsion des Kohlenwasserstoffbinders
einführt; Dispergierung von Farbpigmenten in der Emulsion, die zur Behandlung des
Brennstoffs dient; Zerstäubung von in einer Flüssigkeit dispergierten Pigmenten
auf den Brennstoff sofort nach der Fixierung- des Flußmittels oder auch Aufstreuen
von trockenen und pulvrigen Pigmenten.
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Es ist zweckmäßig, die Zusammensetzung der Emulsionen zur Fixierung
der Flußmittelzusätze auf dem Brennmaterial dem Aschegehalt der zu behandelnden
Kohle anzupassen. Beispielsweise kann sich die Emulsion folgendermaßen zusammensetzen:
| Bentonit .................... 30/0 |
| Bitumen .................... 90/() |
| Zuschläge bzw. Flußmittel .... 10 bis 17 0/0 |
| Emulgatoren ................ 0,2()/, |
| Wasser ..................... Rest |
Im allgemeinen handelt es sich bei den verwendeten Flußmitteln um Mineralien von
heller Farbe (mit Ausnahme von Fe20,), die trotz ungenügender optischer Eigenschaften
als Pigmente wirken und das Aussehen der Emulsion aufhellen. Trotzdem ist es ratsam,
bei gewissen Pigmenttönen ein weißes Pigment mit großer Deckkraft, wie Titanweiß,
zuzusetzen.
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Die Farbpigmente mit befriedigenden Eigenschaften haben alle blaue
oder grüne Töne; auch Metallpulver (Aluminium, Bronze) liefern gute Ergebnisse.
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Die zur Erzielung einer haltbaren Anfärbung des Brennstoffes nötige
Pigmentkonzentration hängt weitgehend von den verwendeten Pigmenten ab.
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Bei bestimmten organischen Pigmenten kann die Konzentration.
bei 10/" der Emulsion liegen, wenn man außerdem gleichzeitig 0,5 bis
10/, Titanweiß zusetzt.
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Bei mineralischen oder metallischen Pigmenten mit weniger starker
Farbkraft erhält man erst bei 10fach höheren Konzentrationen eine brauchbare Wirkung.
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Ultramarinblau liefert gute Ergebnisse bei einer Pigmentkonzentration
von 2 0/, und Titanweißkonzentration von etwa 1 "/,.
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Aluminiumpulver ergibt, eine brauchbare Anfärbung des Brennstoffs,
wenn man der verwendeten Emulsion 1,5 Gewichtsprozent zusetzt.
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Wenn die Pigmente in der zur Behandlung der Kohle dienenden Emulsion
dispergiert werden, gelingt eine sehr. gleichmäßige Anfärbung der Kohlestücke, die
gut einer Wäsche standhält. Die angefärbten Kohlestücke beschmutzen auch die Finger
nicht. Nach einer bereits erwähnten Variante ist es auch möglich, den Brennstoff
sofort nach der zur Fixierung des Flußmittels dienenden Behandlung anzufärben. Bei
der. Anfärbung einer so opaken Fihmnasse, wie sie Bitumenemulsionen ergeben, soll
ein Pigmentverlust möglichst vermieden werden. Hierzu empfiehlt es sich,
die
Pigmente auf der Oberfläche des Filmes zu ffixieren, solange dieser noch plastisch
ist.
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Nach dieser Variante werden die Pigmente auf die behandelte Kohle
als Suspension in Luft oder als Dispersion in einer Flüssigkeit aufgebracht. Im
letzten 5
Fall kann als Flüssigkeit Wasser dienen, das mit einem Dispersionsmittel
versetzt wurde. Die Pigmentkonzentration hängt selbstverständlich von der Farb-
und Deckkraft der benutzten Pigmente ab. Das erfindungsgemäße Anfärbeverfahren gestattet
auch die Auf- io bringung organischer Farbstoffe, wie Phthalocyanine, Azofarbstoffe,
basische Farbstoffe usw.
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Nachstehend sindVersuchsergebnissewiedergegeben. Diese wurden einerseits
für eine nicht behandelte Kohle mit schwer schmelzbarer Asche und andererseits für
eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durch Besprengen von Kohle mit einer wäßrigen
Emulsion folgender Zusammensetzung erhalten:
10 0/, Bitumen mit dem KS-Punkt
40'C,
30/, Bentonit und
100/,
Dolomit als Flußmittel. Die Kohle wurde
mit
100 kg
Emulsion pro Tonne behandelt, wovon nach Verdampfen des Wassers
pro Tonne Kohle
23 kg feste Produkte, davon
10 kg Flußmittel, haften
geblieben waren. Die Versuche wurden in einer Kesselfeuerung durchgeführt und erstreckten
sich über mehrere Tage. Die Kohlen besaßen eine Korngröße von
6 bis
10 mm. Die Ergebnisse sind im folgenden zusammengefaßt:
| Charakteristische Eigenschaften Ausgangskohle gleiche Kohle |
| unbehandelt behandelt |
| Schmelzpunkt der Asche, 'C .....................................
1420 1310 |
| Mittlere Wärmeleistung (Tagbetrieb), keal/h ........................
12250 14500 |
| Mittlere Wärmeleistung (Nachtbetrieb), kcal/h ......................
6750 7250 |
| Mittlere Zusammensetzung der Abgase (Tagbetrieb) |
| CO, Volumprozent . ...........................................
7,3 8,3 |
| (CO + H,), Volumprozent .......... ..........................
0985 1,2 |
| Temperatur der Abgase (Durchschnittstemperatur),
'C ............ 128 166 |
| Mittlere Zusammensetzung der Abgase (Nachtbetrieb) |
| CO" Volumprozent ...........................................
4,3 5,0 |
| (CO + H#, Volumprozent .....................................
057 0,85 |
| Temperatur der Abgase (Durchschnittstemperatur),
'C ............ 65 108 |
| Gesamtgewicht der trockenen Kohle, kg ...........................
128 133 |
| Gesamtgewicht der Schlacke, kg ..................................
1,870 3,220 |
| Gesamtgewicht der pulverigen Asche (berechnet aus den festen
nicht |
| verbrannten Anteilen), kg ......................................
55900 5,450 |
| Verschlackungsgrad, 0/ . .........................................
24 37 |
| Verlust durch feste nicht verbrannte Anteile in 0/0
der Kohle ......... 6,3 4,7 |
Trotz sorgfältigster Regulierung des Heizkessels waren die Versuchsbedingungen nicht
immer konstant. Bei der behandelten Kohle konnte jedoch tatsächlich 40 ein leicht
erhöhter Heizwert festgestellt werden. Dieser Unterschied im Heizwert ist nicht
auf einen Unterschied im Wärmewirkungsgrad zurückzuführen, sondern vielmehr auf
ein erhöhtes Verbrennungsverhältnis, das man zum mindesten teilweise der sehr regelmäßigen
45 Beschickung der Feuerung zuschreiben muß, die weniger durch pulvrige Ascheteile
verstopft wird.