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PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur elektroinduktiven Erwärmung von Materialschichten mit einem hohen spezifischen Widerstand g zwischen 10- > und 10 Ohm m in einer Vorrichtung zur Durchführung endothermer Reaktionen, wobei die elektroinduktive Erwärmung innerhalb der Materialschicht selbst mittels mindestens einer von Wechselstrom durchflossenen, ausserhalb einer die Materialschicht enthaltenden Reaktorkammer angeordneten Induktionsspule erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass ein niederfrequenter Wechselstrom benützt wird, dessen Frequenz höchstens dem 10fachen der Netzfrequenz entspricht, und dass zwischen dem kleinsten horizontalen Quermass d durch den Mittelpunkt des Schichtquerschnittes und der Eindringtiefe 6 des induktiven Feldes ein Verhältnis zwischen 0,2 und 2,5 aufrechterhalten wird,
wobei dieser Verhältniswert durch die Gleichung d - k (0,54- 0,35 10log Q) 6 bestimmt ist und k eine Zahl zwischen 1,1 und 1,5 ist.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wechselstrom mit Netzfrequenz oder einer Frequenz, die einen ganzteiligen Vielfachen der Netzfrequenz entspricht, verwendet wird.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es in der Vorrichtung mit einer Reaktorkammer durchgeführt wird, die von Wänden begrenzt wird, die die Induktionsspule (12) von der Reaktorkammer trennen und eine bestimmte Gasdurchlässigkeit haben, und dass den Reaktorwänden von aussen her ein Gas unter einem Druck zugeführt wird, der höher ist als der höchste zu erwartende Druck innerhalb der Reaktorkammerzone, die von der Induktionsspule (12) umgeben ist, wobei ein Gas verwendet wird, welches nicht in der Lage ist, eine elektrische Verbindung zwischen den Spulenwindungen herzustellen.
4. Verfahren nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das der Reaktorwand zugeführte Druckgas in einer solchen Weise zugeführt wird, dass eine Gasströmung durch die Reaktorwand in Richtung weg von der Reaktorkammer verhindert wird.
5. Verfahren nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der von der Induktionsspule (12) umgebene Teil der Reaktorwandung von einer Druckkammer umgeben ist.
6. Verfahren nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas der Reaktorwandung durch die Druckkammer zugeführt wird.
7. Verfahren nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschnitte zwischen benachbarten Spulenwindungen gegen die den Reaktor umgebende Atmosphäre abgedichtet sind, und dass das Gas innerhalb der nach aussen abgedichteten Bereiche zugeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Patentansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Induktionsspule verwendet wird, die aus mehreren Einzelelementen zusammengesetzt ist, wobei jedes Einzelelement nur eine einem Winkel von höchstens 1800 entsprechende Bodenlänge hat.
9. Verfahren nach einem der Patentansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Induktionsspule verwendet wird. die aus mehreren Teilspulen zusammengesetzt ist.
10. Verfahren nach einem der Patentansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jede Spulenwindung in einer Ebene liegt.
II. Verfahren nach Patentanspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Teilspulen unterschiedliche Wicklungs- bzw. Windungsrichtungen haben, und dass aneinander angrenzende Enden von benachbarten Teilspulen an ein und denselben Punkt des Stromversorgungssystems angeschlossen sind.
12. Verfahren nach einem der Patentansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das der Aussenseite des Reaktors zugeführte Druckgas eine Zusammensetzung hat, die für den innerhalb der Reaktorkammer ablaufenden Prozess ohne schädlichen Einfluss ist.
13. Verfahren nach Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein im wesentlichen inertes Gas benutzt wird, welches die Bildung eines Kohlenstoffniederschlags zumindest in denjenigen Bereichen der Reaktorkammerwand verhindert, die in unmittelbarer Nähe der Induktionsspule liegen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektroinduktiven Erwärmung von Materialschichten mit hohem spezifischen Widerstand (P) in einer Vorrichtung zur Durchführung endothermer Reaktionen, wobei die elektroinduktive Erwärmung innerhalb der Materialschicht selbst mittels mindestens einer von Wechselstrom durchflossenen, ausserhalb einer die Materialschicht enthaltenden Reaktorkammer angeordneten Induktionsspule erfolgt.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Durchführung von endothermen Prozessen in einem Koksbett. Koks, der aus Kohle hergestellt wird, die durch Pyrolyse aus organischen Materialien erzeugt worden ist, wird in der Technik bei verschiedenen Prozessen benutzt, bei denen kohlen- bzw. kohlenstoffhaltiges Material oxydiert und/oder in bzw. mit anderen Stoffen gelöst oder zur Reaktion gebracht wird. Im folgenden werden unter der Bezeichnung Koks alle kohlenstofflhalti- gen Stoffe verstanden, die durch Pyrolyse aus organischen Materialien erhalten worden sind.
Die für die Durchführung der ins Auge gefassten Prozesse benötigte Wärme kann der Reaktorkammer auf verschiedene Weise zugeführt werden. So können der Koks und die anderen Reaktionsteilnehmer vorerwärmt werden oder die Wärme kann in der Reaktorkammer durch teilweise Verbrennung des Kokses erzeugt werden, oder die Wärme kann durch die Reak torwände zugeführt werden.
Andere Verfahrensweisen basieren darauf, den Koks oder die Reaktionsmischung direkt elektrisch zu erhitzen. Diese Verfahrensweisen haben trotz der normalerweise verhältnismässig hohen Kosten für die elektrische Energieeinheit verschiedene Vorteile gegenüber den anderen oben beschriebenen Verfahrensweisen. Als Vorteile sind zu nennen: Ein geringerer und raumsparender Aufwand für die Anlage zur Durchführung des Prozesses und zur Behandlung möglicher Abgase; eine grosse Flexibilität und Anpassungsfähigkeit hinsichtlich der Durchführung des Verfahrens; eine grössere Auswahlmög- lichkeit hinsichtlich der Ausgangsstoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften; eine gute Ausnutzung der dem Prozess zugeführten Energie und verhältnismässig geringe Anlagekosten.
Eine übliche Verfahrensweise zur Erzeugung von Wärmeenergie mittels elektrischen Stromes besteht darin, elektrischen Strom durch Elektroden zu schicken, um die Reaktionsmasse durch Widerstandsheizung oder durch elektrische Lichtbogenbildung zu erwärmen.
Es ist weiterhin bekannt, in der Reaktionsmasse oder dem zu behandelnden Material elektrische Ströme zu induzieren, indem an die Masse ein elektromagnetisches Wechselfeld angelegt wird, was in der Technik als sogenannte induktive Erwärmung bzw. Induktionserwärmung bezeichnet wird. Die induktive Erwärmung ist u. a. in der Verbindung mit der Herstellung von Koks aus Kohle vorgeschlagen worden. Aufgrund des verhältnismässig hohen elektrischen Widerstandes des Materials hat man vermutet, dass es in diesen Fällen notwendig ist entweder ein Wechselfeld mit hohen Frequenzen zu ver
wenden oder das Material mittels der Sekundärwicklung einer transformatorähnlichen Einrichtung zu erwärmen.
Die Benutzung von hohen Frequenzen führt jedoch zu bestimmten Beschränkungen in technischer und wirtschaftlicher Hinsicht. Aus praktischen Gründen ist es weiterhin oft erwünscht, die Transformatormethode zu vermeiden, bei der Kohle oder anderes Material in eine Rinne gegeben wird, um einen geschlossenen Kreis zu bilden.
Im Gegensatz dazu ist das erfindungsgemässe Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Materialschicht mit einem spezifischen Widerstand zwischen 104 und 10 Ohm-m ein niederfrequenter Wechselstrom benützt wird, dessen Frequenz höchstens dem 10fachen der Netzfrequenz entspricht, und dass zwischen dem kleinsten horizontalen Quermass (d) durch den Mittelpunkt des Schichtquerschnittes und der Eindringtiefe (d) des induktiven Feldes ein Verhältnis zwischen 0,2 und 2,5 aufrechterhalten wird, wobei dieser Verhältniswert durch die Gleichung d = k (0,54 - 0,35 10log Q)
6 bestimmt ist und k eine Zahl zwischen 1,1 und 1,5 ist.
Die Bezeichnung Eindringtiefe wird in diesem Fall verstanden als
EMI2.1
wobei w die Winkelfrequenz des elektromagnetischen Feldes, gemessen in rad/sec, u die Permeabilität (im Falle von nicht magnetischen Stoffen etwa 4,r 10-7) und g der spezifische Widerstand der Materialschicht, gemessen in Ohm m, ist. Das Quermass d wird in Metern gemessen.
Davon ausgehend, hat es sich bei Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens als möglich erwiesen, niedrige Frequenzen zu verwenden, wobei es nur notwendig ist, das Quermass auf ein verhältnismässig kleines Mass im Vergleich zu den Dimensionen zu bringen, die bei der Niederfrequenzerwärmung von Material, welches einen niedrigen Widerstandswert hat, benötigt werden,
Bei der induktiven Erwärmung eines Koksbettes mit einem spezifischen Widerstand von 10-2 Ohm m mit einem Wechselstrom bei einer Frequenz von 100 Hz hat es sich beispielsweise herausgestellt, dass eine Induktionsspule mit einem Durchmesser von 7,5 m in zufriedenstellender Weise benutzt werden kann, und nur bei einem Verhältnis von Spulenhöhe zu Spulendurchmesser von 0,6.
Bei Durchführung des Verfahrens können in einem Koksbett mit einem elektromagnetischen Feld verhältnismässig geringer Stärke sehr hohe Energiemengen erzeugt werden. Wenn die Spule aus Kupfer besteht, liegen die Verluste, die durch die induktive Erwärmung der Induktionsspule hervorgerufen werden, nur bei einigen wenigen Prozent der zugeführten Energie.
Bei dem oben beschriebenen Beispiel wurden in dem Koksbett etwa 30 MW bei einer Feldstärke von nur 50 ka/m erzeugt; die Verluste in der Kupferspule erreichten nur 600 kW, d. h.
etwa 2% der zugeführten Energie.
Bei Anwendung der induktiven Erwärmung, die auch bei grossstückigeren Materialien in Betten mit einem spezifischen Widerstand in der Grössenordnung von 10 bis 104 Ohm m angewendet werden kann, hat sich der hohe Widerstand, der bisher als nachteilig und als Hemmnis betrachtet wurde, in einen Vorteil umgewandelt.
Es ist vorteilhaft, Wechselstrom mit Netzfrequenz zu verwenden, wenn es erwünscht ist, die Energie aus dem Netz abzuleiten, da es auf diese Weise möglich ist, die Anlage- und Betriebskosten niedrig zu halten. Wenn es erwünscht ist, die Frequenz zu erhöhen, ist es vorteilhaft, durch die Induktionsspule einen Wechselstrom zu schicken, dessen Frequenz nicht grösser ist als der 10fach, vorzugsweise nicht grösser als der Sfache Wert der Netzfrequenz; es wird, in einer Ausführungsform, vorteilhafterweise mit einem Frequenzwert gearbeitet, der einem ganzteiligen Vielfachen der Netzfrequenz entspricht.
Innerhalb dieser Bereiche ist es möglich, verhältnismässig billig und mit einem guten Nutzungsfaktor Strom der erwünschten Frequenz zu erhalten, da billige motoren- oder turbinengetriebene Generatoren einfacher Bauart verwendet werden können. Es lassen sich auch Frequenzvervielfältiger oder thyristorgesteuerte Stromgleichrichter verwenden, wenn keine extrem hohen Leistungen benötigt werden.
Wenn Energie niedriger oder verhältnismässig niedriger Frequenz induktiv einem Bett mit einem spezifischen Widerstand im Bereich von 10 bis 104 Ohm m zugeführt wird, lassen sich mit dem erfindungsgemässen Verfahren gegenüber den bekannten Verfahren folgende Vorteile erzielen:
1. Die Energie, die je Volumeinheit von verhältnismässig grossen Reaktoreinheiten entwickelt wird, kann beträchtlich erhöht werden; auf diese Weise erhält man einen extrem wirkungsvollen Reaktor.
2. Die Eindringtiefe des Feldes ist relativ zur Querschnittsfläche des Reaktors gross, wodurch eine gleichmässigere Energieerzeugung über den Querschnitt des Reaktors erreicht wird.
3. Es können auf induktivem Wege sehr grosse Energiemengen erzeugt werden, wie sie bisher nicht möglich waren.
4. Der elektrische Wirkungsgrad bzw. die Ausnutzung der elektrischen Energie wird beträchtlich verbessert.
5. Anlagen zur Erzeugung von Strom der erwünschten niedrigen Frequenz sind einfacher und billiger und arbeiten mit einem besseren elektrischen Wirkungsgrad, wobei sich in vielen Fällen die Netzfrequenz benutzen lässt.
Bei Durchführung des Verfahrens ist es nicht notwendig, die gesamte benötigte Wärme elektroinduktiv zu erzeugen. So liegt es im Rahmen der Erfindung, der Reaktorkammer einen Teil der für die Durchführung des Prozesses benötigten Wärme durch Verbrennen von brennbaren Substanzen innerhalb der Kammer zuzuführen.
In einem ersten Beispiel kann das Verfahren zum Verkoken von Kohle, die der Reaktorkammer vorzugsweise zumindest in wesentlichem Umfang kontinuierlich zugeführt wird, angewendet werden. Die auf elektroinduktive Weise erzeugte Wärme wird in dem Teil des Materials gebildet, das dem Verkokungsprozess gerade unterworfen ist, wobei dieser dem Verkokungsprozess unterworfene Materialteil in einen solchen Zustand gebracht worden ist, dass dieser Materialteil im wesentlichen frei von vergasbaren Bestandteilen ist.
Da die induktiv erzeugte Wärme direkt in dem zu verkokenden Material gebildet wird, wird ein schneller Verkokungsprozess erreicht, so dass je Zeiteinheit eine sehr hohe Kohlenmenge in einer verhältnismässig kleinen Anlage verkokt werden kann.
Der erzeugte Koks wird aus der Reaktorkammer vorzugsweise über eine Flüssigkeitsschleuse ausgetragen, in der der Koks gekühlt wird, wodurch gesundheitsschädliche Einflüsse vermieden werden. Um die Qualität des verkokten Materials zu verbessern, werden vorteilhafterweise das Koksgas und/oder der Reaktorkammer zugeführte Kohlenwasserstoffe durch das verkokte oder im wesentlichen verkokte Material hindurchgeleitet, das sich in der Reaktorkammer befindet und das mindestens auf der Temperatur gehalten wird, welches zum Kracken des Koksgases und der Kohlenwasserstoffe benötigt wird, wodurch bewirkt wird, dass sich Kohlenstoff auf dem verkokten Material niederschlägt bzw. ablagert. Auf diese Weise wird die Festigkeit des Kokses erhöht, und es ist möglich, aus Rohstoffen minderer Güte einen hochwertigen Koks zu erzeugen, der z. B. für metallurgische Zwecke geeignet ist.
Ein Teil der für den Verkokungsprozess benötigten Wärme kann der Reaktorkammer dadurch zugeführt werden, dass brennbare Stoffe direkt in der Reaktorkammer verbrannt werden, wobei diese Verbrennung vorzugsweise nicht in direktem Kontakt mit dem verkokten Material erfolgt. Als brennbare Stoffe können die gesamten oder ein Teil der während des Verkokungsprozesses gebildeten Gase verwendet werden, obwohl sich erfindungsgemäss auch andere Stoffe, wie beispielsweise Öl bzw. Kohlenwasserstoffe, verwenden lassen, die der Reaktorkammer von aussen zugeführt werden. Die in der Reaktorkammer durch Verbrennung direkt erzeugte Wärme kann vorzugsweise zur Vorerwärmung und zur teilweisen Verkokung der der Reaktorkammer zugeführten Kohle benutzt werden.
Die durch die Verbrennung von brennbaren Stoffen erzeugte Wärme, die nicht von dem sich in der Reaktorkammer befindlichen Material absorbiert wird, kann vorzugsweise in der Reaktorkammer wiedergewonnen werden, und zwar in der Strahlungskammer eines Dampfkessels, der neben dem Reaktor angeordnet ist, wobei diese Strahlungskammer sich innerhalb der Reaktorkammer befindet. Gemäss einer abgewandelten Ausführungsform kann mindestens ein Teil des Wärmeinhaltes der in dem Verkokungsreaktor gebildeten Gase zur Erzeugung von Dampf oder elektrischer Energie verwendet werden. Wenn elektrische Energie erzeugt werden soll, kann dies vorteilhafterweise mittels Dampf- oder Gasturbinen, vorzugsweise Heissluftturbinen, erfolgen.
Die auf diese Weise erzeugte elektrische Energie kann wieder dem Prozess zugeführt werden, und zwar in Form von Wechselstrom, der die für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens benötigte Frequenz hat. Die noch heisse Luft, die z. B. die Heissluftturbine verlässt, kann für den Verbrennungsprozess innerhalb der Reaktorkammer ausgenutzt werden, wodurch sich ein ausgezeichneter thermischer Wirkungsgrad erzielen lässt.
Das Verfahren lässt sich weiterhin in Verbindung mit der Reduktion und/oder Aulkohlung von gasförmigen Stoffen anwenden, beispielsweise bei der Herstellung von reduzierenden Gasen oder Schutzgasen, wobei es sich bei dem gasförmigen Stoff um Wasserstoff oder um von Reduktionsprozessen herrührende Gase handeln kann, denen vorteilhafterweise Kohlenwasserstoffe zugemischt sind; die gasförmigen Stoffe können vorzugsweise im wesentlichen kontinuierlich durch das induktiv erwärmte Koksbett geführt werden, wobei sich das Koksbett dabei im wesentlichen selbst verbraucht bzw. aufbraucht.
Infolge des Verkokungsprozesses ist es auf diese Weise möglich, mit einem Reaktor mit verhältnismässig kleinen Abmessungen einen hohen Ausstoss zu erzielen, was darauf beruht, dass die auf induktivem Wege erzeugte Wärme ausserordentlich gleichmässig über das gesamte Koksbett verteilt wird. Die Temperatur des Bettes wird vorzugsweise auf einem solchen Wert gehalten, dass die beim Aufbrauchen des Kokses gebildete Schlacke in Form einer Schmelze am Boden der Reaktorkammer erhalten wird, von wo die Schlackenschmelze entweder intermittierend oder kontinuierlich aus der Reaktorkammer abgezogen wird. Dadurch wird das Entfernen von Rückständen, die beim Verbrauchen des Kokses gebildet werden, aus der Reaktorkammer erleichtert.
Um innerhalb der Reaktorkammer gleichmässige Bedingungen aufrechtzuerhalten, kann der in dem Koksbett verbrauchte Koks im wesentlichen kontinuierlich ersetzt bzw. ergänzt werden. Um den in dem Bett verbrauchten Koks wieder zu ersetzen, wird der Reaktorkammer Kohle zugeführt, die innerhalb der Kammer verkokt wird, so dass ein Bett bzw. eine Füllung aus einem billigen Rohmaterial aufgebaut wird, wobei die Qualität des gebildeten Kokses in der Weise verbessert wird, wie es oben in Verbindung mit dem Verkoken der Kohle beschrieben worden ist, wobei gleichzeitig innerhalb des Prozesses die während des Verkokungsprozesses freigegebenen und/oder der Reaktorkammer zugeführten Kohlenwasserstoffe ausgenutzt werden können.
Um die Wärmebilanz des Prozesses zu verbessern, können die zu reduzierenden und/oder zu aufkohlenden gasförmigen Stoffe durch direkten Wärmetausch mit dem reduzierten und/oder aufgekohlten Gas vorerwärmt werden. In ähnlicher Weise kann ein Teil der für den Verkokungsprozess und für den übrigen Prozessablauf benötigten Wärme dadurch zugeführt werden, dass innerhalb der Kammer brennbare Stoffe verbrannt werden. Die bei der Verbrennung von Brennstoffen entwickelte Wärme, die nicht von dem innerhalb des Reaktors behandelten Material und den Reaktorgasen aufgenommen wird, kann innerhalb oder ausserhalb des Reaktors in der Weise wiedergewonnen werden, wie es oben in Verbindung mit dem Verkoken von Kohle beschrieben worden ist.
Der Verbrennungsprozess innerhalb der Reaktorkammer erfolgt an der Seite des Koksbettes, von der aus das zu reduzierende und/oder aufzukohlende gasförmige Medium in das Bett eingeleitet wird. In diesen Fällen ist es insbesondere im Hinblick auf den Gasstrom und im Hinblick auf die konstruktive Gestaltung der Anlage vorteilhaft, das gasförmige Medium nach unten durch das in der Reaktorkammer vorhandene Koksbett strömen zu lassen. Der physikalische Wärmeinhalt der den Reaktor verlassenden Gase wird vorzugsweise durch Wärmetausch zwischen diesen ausströmenden Gasen und den dem Reaktor zuzuführen den Gasen ausgenutzt.
Das Verfahren kann in einem weiteren Beispiel zur Reduktion und gegebenenfalls zur anschliessenden Aufkohlung oder zur Bildung von Karbiden aus festes Metalloxyd enthaltendem Material, insbesondere Material, das Eisenoxyde oder Kalziumoxyde enthält, angewendet werden. Das Metalloxyd enthaltende Material wird dem sich innerhalb der Reaktorkammer befindenden Koksbett zugeführt, in dem Induktionsströme erzeugt werden, dass zumindest in dem Koksbett eine solche Temperatur aufrechterhalten wird, dass das Metalloxyd enthaltende Material während der Reduktion und des Schmelzens und gegebenenfalls der Aufkohlung oder Bildung von Karbiden bei gleichzeitigem Verbrauch des Koksbettes durch dieses hindurchgeführt wird, und dass die gebildete Schlacke und das gebildete Metall bzw.
die gebildeten Metallkarbide kontinuierlich oder intermittierend aus der Reaktorkammer abgezogen werden.
Bei einem derartigen Verfahren kann auf nicht sehr hochwertigen Koks zurückgegriffen werden, da eine hohe und gleichmässige Temperatur in dem gesamten Koksbett erhalten wird, was zu einer beträchtlich erhöhten Kapazität der benutzten Anlage im Vergleich mit bekannten Reduktions- und Schmelzanlagen führt. Dieses Verfahren lässt sich besonders zur abschliessenden Reduktion von vorreduzierten Eisenoxydmaterialien verwenden, wie beispielsweise Eisenoxydmaterialien, die zumindest zu FeO reduziert sind.
Um das Reduktionsvermögen der bei dem Reduktionsprozess in dem Koksbett gebildeten reduzierenden Gase und auch das Reduktionsvermögen von solchen reduzierenden Gasen, die durch Zugabe von flüssigen Reduktionsmitteln in das Koksbett erhalten werden, optimal auszunutzen, wird das Metalloxyd enthaltende Material der Reaktorkammer in einem derart feinzerteilten Zustand zugeführt, dass dieses Material zumindest während der anfänglichen Reduktionsstufen von den innerhalb des Bettes gebildeten und aus dem Bett nach oben steigenden Gasen in fluidisiertem Zustand gehalten wird. Eine derartige Verfahrensweise ist ausserordentlich wirkungsvoll beim Reduzieren von feinzerteiltem oxydischen Material, wie beispielsweise Pyritabbränden. Das feste, Metalloxyde enthaltende Material wird der Reaktorkammer vorteilhafterweise in einem heissen oder vorerwärmten Zustand zugeführt.
Infolge der unterschiedlichen spezifischen Gewichte der Metall- oder Metallkarbidschmelze und der Schlackenschmelze, der vorteilhafterweise Raffinierungs- und Flussmittel zugesetzt werden können, fliesst die Metall- bzw. Metallkarbid schmelze durch die Schlackenschmelze und wird in einer unter der Schlackenschmelze liegenden Zone gesammelt. Die Metall- oder Metallkarbidschmelze und die Schlackenschmelze werden vorzugsweise getrennt aus dem Reaktor abgezogen.
Insbesondere dann, wenn die Schlackenschmelze einen raffinierenden Effekt hat, ist es vorteilhaft, eine geschmolzene Schlackenschicht unterhalb des Koksbettes aufrechtzuerhalten, so dass ein Teil der für die Durchführung des Prozesses benötigten Wärme auch induktiv in der Schlackenschmelze erzeugt wird.
Der in dem Koksbett verbrauchte Koks wird auch hier im wesentlichen kontinuierlich ersetzt, indem der Reaktorkammer beispielsweise Kohle zugeführt wird, die in der Reaktorkammer verkokt wird. Die Kohle kann vorzugsweise vorerwärmt werden und der Verkokungsprozess kann durch Verbrennen von Brennstoffen innerhalb der Reaktorkammer eingeleitet werden, wobei die von den Brennstoffen erzeugte Wärme direkt durch Strahlung und Konvektion auf die Kohle einwirken kann. Die brennbaren Gase können der Reaktorkammer in Form von Kohlenwasserstoffen entweder in dem über dem Bett liegenden Raum oder direkt im Bereich der Bettfüllung zugeführt werden. Die Kohlenwasserstoffe werden vorzugsweise mit dem Koks und/oder der einem Verkokungsprozess unterworfenen Kohle in Kontakt gebracht, wobei das Koksbzw.
Kohlematerial auf einer Temperatur gehalten wird, die zum Kracken der Kohlenwasserstoffe ausreicht, so dass der Kohlenstoff sich auf dem Koks niederschlagen bzw. ablagern kann. Die durch die zusätzlich zugeführten Brennstoffe erzeugte Wärme, die nicht von den in dem Reaktor befindlichen Stoffen und Gasen aufgenommen wird, kann ausserhalb des Reaktors in der oben beschriebenen Weise wiedergewonnen werden.
Das Verfahren kann in einem anderen Beispiel zum Schmelzen von grossstückigem oder partikelförmigem insgesamt oder teilweise metallischem Material, beispielsweise vorreduzierten Metalloxyden, Eisenschwamm, Metallschrott, wie Eisenschrott, insbesondere minderwertigem Metallschrott, wie Drehbankspäne u. dgl., angewendet werden. Dieses Material und ein reduzierendes Mittel werden zum Ersatz des während des Prozesses verbrauchten Kokses dem Reaktor zugeführt, in dem das Material elektroinduktiv erwärmt und geschmolzen wird, so dass das geschmolzene Material durch das induktiv erwärmte Koksbett hindurchtritt, wobei gegebenenfalls eine abschliessende Reduktion der oxydierten Materialanteile stattfindet und das geschmolzene Metall gegebenenfalls bei gleichzeitigem Verbrauch des Koksbettes gegebenenfalls karbonisiert wird.
Das gebildete Metall und die gebildete Schlacke werden dann unterhalb des Koksbettes aufgefangen, von wo aus das Metall und die Schlacke kontinuierlich oder intermittierend aus der Reaktorkammer abgezogen werden.
Das Koksbett bildet eine extrem grosse heisse Kontaktfläche, die reduzierend auf die Metalloxydschmelze wirkt, wodurch eine hohe Reaktorkapazität vorhanden ist. Die Metallschmelze und die Schlackenschmelze werden dabei getrennt aus dem Reaktor abgezogen. Insbesondere dann, wenn die Schlackenschmelze raffinierende Eigenschaften hat, wenn sie z. B. durch Zusatz von geeigneten Raffinierungsmitteln gebildet worden ist, ist es vorteilhaft, unter dem Koksbett eine geschmolzene Schlackenschicht aufrechtzuerhalten, in der ein Teil der für die Durchführung des Schmelzprozesses notwendigen Wärme induktiv erzeugt werden kann.
Der in dem Koksbett verbrauchte Koks wird im wesentlichen kontinuierlich ersetzt, indem der Reaktorkammer Kohle zugeführt wird, die einem Verkokungsprozess unterworfen wird. Das Verkoken kann durch Verbrennen von Brennstoffen in der Reaktorkammer erfolgen und überschüssige Wärme kann in der oben beschriebenen Weise weitergenutzt bzw.
wiedergewonnen werden.
Aufgrund der hohen Kontaktfläche, die durch das heisse Koksbett gebildet ist, kann das Verfahren zur Wiedergewinnung von mindestens einem verhältnismässig leicht flüchtigen Metall bzw. einer leicht flüchtigen Metallverbindung, die beispielsweise mindestens eines der Metalle Zink, Blei, Arsen, Antimon, Kadmium und Zinn enthält, aus einer Schmelze, beispielsweise Schlacke, angewendet werden, die bei Schmelzen von Kupfererz erhalten wird, das das leicht flüchtige Metall in oxydischer und/oder sulfidischer Form enthält. Die Schmelze bzw. Schlacke wird durch das induktiv erwärmte Koksbett hindurchgeleitet, und die Verweilzeit der Schmelze bzw.
Schlacke in dem Koksbett und die Koksbettemperatur werden auf einen solchen Wert eingestellt, dass das Metalloxyd reduziert und das Metall verdampft bzw. die Metallkomponente bei gleich zeitigem Verbrauch des Koksbettes verflüchtigt wird.
Das verdampfte Metall oder die verdampfte Metallverbindung können durch oxydierende Verbrennung von Brennstoffen in der Reaktorkammer oxydiert werden und ausserhalb des Reaktors aus den Verbrennungsgasen in Oxydform wiedergewonnen werden. Es ist auch möglich, das verdampfte Metall oder die verdampfte Metallverbindung aus der Reaktorkammer herauszuführen und das Metall oder die Metallverbindung durch Kondensation ausserhalb der Reaktorkammer in fester oder flüssiger Form wiederzugewinnen.
Weiterhin enthält die zugeführte Schmelze mindestens ein oxydgebundenes, vorzugsweise schnell flüchtiges Metall, wie Eisen und Silizium. Die Verweilzeit der Schmelze in dem Bett und die Koksbettemperatur werden auf einen solchen Wert eingestellt, dass das oxydgebundene Metall bei gleichzeitigem Verbrauch des Koksbettes ausreduziert und in geschmolzenem Zustand in einer Zone unter dem Koksbett erhalten wird, aus welcher Zone die Schmelze und behandelte Schlacke kontinuierlich oder intermittierend abgezogen werden.
Der zum Ersatz des in dem Bett verbrauchten Kokses notwendige Koks kann der Reaktorkammer in der oben beschriebenen Weise zugesetzt oder in der oben beschriebenen Weise erzeugt werden. Das Abziehen von Metallschmelze und Schlackenschmelze aus der Reaktorkammer und die Zufuhr von zusätzlicher Wärme in die Kammer und die Reaktorkammerfüllung und auch die Wiedergewinnung von während des Reaktionsprozesses nicht verbrauchter Wärme können auch in diesem Fall in der oben beschriebenen Weise durchgeführt werden.
Bei Reaktoren, die für die Durchführung des Verfahrens geeignet sind, bringt die elektrische Isolierung zwischen aufeinanderfolgenden Windungen der Induktionsspule und gegebenenfalls auch zwischen einzelnen Spulenteilen gewisse Probleme, wenn die Reaktorwände ein bestimmtes Durchlassvermögen für Gase haben. Es hat sich u. a. herausgestellt, dass Kohlenmonoxyd enthaltendes Gas in bestimmten Fällen in der Lage ist, aus der Reaktorfüllung die Reaktorwand zu durchdringen und einen Kohlenstoffniederschlag zu bilden, der im Bereich der Spule zu einer Funkenbildung führen kann. Diese Probleme treten insbesondere bei sehr grossen induktiv beheizten Reaktoren und Öfen auf, bei denen Spannungen benötigt werden, die bisher bei induktiven Heiztechniken nicht benutzt worden sind.
Ein weiterer Nachteil, der den bisher verwendeten Spulen von induktiv beheizten Reaktoren bzw. Öfen anhaftet, besteht darin, dass im Falle von Beschädigungen der Spule die Spule insgesamt ausgetauscht werden muss, was sehr zeitaufwendig und auch teuer ist.
In der folgenden Ausführungsform kann die Funkbildung im Bereich der Induktionsspule weitgehend dadurch verhindert werden, wenn das Verfahren in einer Vorrichtung mit einer Reaktorkammer durchgeführt wird, die von Wänden begrenzt wird, die die Induktionsspule 12 von der Reaktorkammer trennen und eine bestimmte Gasdurchlässigkeit haben, und wenn den Reaktorwänden von aussen her ein Gas unter einem Druck zugeführt wird, der höher ist als der höchste zu erwartende Druck innerhalb der Reaktorkammerzone, die von der Induktionsspule umgeben ist, wobei ein Gas verwendet wird, welches nicht in der Lage ist, eine elektrische Verbindung zwischen den Spulenwindungen herzustellen.
Das Druckgas wird derart zugeführt, dass es nicht in Richtung weg von der Reaktorkammer strömen kann. Dieses kann dadurch erreicht werden, dass zumindest der Teil des Reaktors, der von der Induktionsspule umgeben ist, als Druckkammer bzw. Druckraum ausgebildet ist. Das Druckgas wird der Reaktorwand vorzugsweise durch diese Druckkammer hindurch zugeführt. Gemäss einer abgewandelten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Bereiche zwischen benachbarten Spulenwindungen gegen die den Reaktor umgebende Atmosphäre abgedichtet sind, wobei das Druckgas der Reaktorwand an Stellen innerhalb des abgedichteten Bereiches zugeführt wird.
Um der Gefahr einer Funkenbildung zwischen benachbarten Windungen der Induktionsspule noch weitergehend entgegenzuwirken, ist hier vorgesehen, die Induktionsspule so zu gestalten, dass sie repariert werden kann, ohne dass dazu die gesamte Spule oder der gesamte Reaktor demontiert werden muss. Dieses lässt sich dadurch erreichen, dass eine Induktionsspule verwendet wird, die aus mehreren bogenförmigen Einzelelementen zusammengesetzt ist, von denen jedes eine Bogenlänge hat, die einem Winkel von höchstens 180 entspricht.
Es ist weiterhin vorgesehen, eine Induktionsspule zu verwenden, die aus mehreren Teilspulen zusammengesetzt ist. Die einzelnen Spulenwindungen können so gestaltet sein, dass sie in einer Ebene liegen. Auf diese Weise werden getrennte, sich nur über eine Windung erstreckende Schleifen erhalten, die zur Bildung von Teilspulen zusammengefasst werden können, die mehrere Windungen haben. Damit werden folgende Vorteile erreicht:
1.
Die isolierende Abdichtung zwischen den einzelnen Spulenwindungen, zwischen denen Druckgas innerhalb des abgedichteten Bereiches zugeführt wird, wird vereinfacht;
2. die Anzahl der Windungen der Teilspulen lässt sich leicht an die elektrischen Eigenschaften des zu erwärmenden Materials anpassen;
3. die Aufteilung der Spule in Einzelelemente wird vereinfacht und ebenso der Austausch von Einzelelementen, und
4. die bei der Erwärmung des Reaktors auftretende Ausdehnung der Spule kann ohne Beeinträchtigung des gasdichten Abschlusses des Reaktors aufgefangen werden.
Ein weiterer Vorteil von ebenen, sich nur eine Windung erstreckenden Schleifen besteht darin, dass die Schleifen zu Teilspulen mit einer bestimmten Anzahl von Windungen in einer solchen Weise zusammengefasst werden können, dass zwischen benachbarten Windungen von zwei Teilspulen eine Spannung Null herrscht. Dieses ist möglich, wenn die benachbarten Teilspulen unterschiedliche Windungs- bzw. Wicklungsrichtungen haben und wenn ausserdem die aneinander angrenzenden Enden von benachbarten Teilspulen an den gleichen Punkt des Stromversorgungssystems angeschlossen sind.
Diese Anordnung gewährleistet, dass in dem Spalt zwischen zwei Teilspulen keine hohe Spannung herrscht, die der Spannung zwischen den Windungen einer Teilspule mal der Windungszahl dieser Teilspule entspricht.
Das der Reaktorwand von aussen zugeführte Druckgas strömt in die das zu behandelnde Material aufnehmende Reaktorkammer. Aus diesem Grunde ist es notwendig, dass das verwendete Druckgas keinen schädigenden Einfluss auf den innerhalb des Reaktors durchzuführenden Prozess hat.
Wenn die Gefahr besteht, dass sich an der Reaktorwand Kohlenstoff niederschlägt bzw. absondert, ist weiter vorgesehen. ein im wesentlichen inertes Gas zu verwenden, welches die Bildung eines Kohlenstoffniederschlags zumindest in denjenigen Bereichen der Reaktorkammerwand verhindert, die in unmittelbarer Nähe der Induktionsspule liegen.
Das Verfahren wird beispielsweise anhand der Fig. 1 bis 12 erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines Reaktors zum Verkoken von Kohle,
Fig. 2 eine Schnittansicht eines Reaktors zum Reduzieren und/oder Aufkohlen von gasförmigen Stoffen,
Fig. 3 eine Schnittansicht eines Reaktors zum Reduzieren und gegebenenfalls anschliessenden Karbonisieren oder Karburieren von festem, Metalloxyde enthaltendem Material,
Fig. 4 eine Schnittansicht eines Reaktors zum Schmelzen von Metallschrott,
Fig. 5 eine Schnittansicht eines Reaktors zur Behandlung von Schmelze, insbesondere Schlackenschmelze,
Fig. 6 bis 9 Schnittansichten von verschiedenartig gestalteten Wandteilen eines für die Durchführung des Verfahrens verwendeten Reaktors,
Fig.
10 ausschnittsweise eine Draufsicht auf eine Induktionsspule, die aus mehreren sich nur über einen verhältnismässig kleinen Bogenwinkel erstreckenden Einzelelementen zusammengesetzt ist,
Fig. 11 eine perspektivische Teilansicht einer Induktionsspule, die gemäss den Darstellungen von Fig. 9 und 10 konstruiert ist, und
Fig. 12 eine teilweise Seitenansicht von zwei Teilspulen, die aus ebenen Spulenwindungen zusammengesetzt sind.
In Fig. 1 ist ein Verkokungsreaktor dargestellt, dessen Wände zumindest teilweise aus einer hitzefesten Auskleidung
10 bestehen, die von einem Gehäuse 11 umgeben ist, das beispielsweise aus Stahlblech besteht. Der Reaktor ist von einer Induktionsspule 12 umgeben, die ihrerseits von einem Joch 13 umgeben ist. Die Induktionsspule 12 wird von einem von einer (nicht dargestellten) Stromquelle kommenden Wechselstrom durchflossen und dient dazu, das hauptsächlich aus Koks bestehende, in der Reaktorkammer befindliche Bett 14 auf einer Temperatur zu halten, die für die Durchführung des in Frage stehenden Prozesses erforderlich ist.
Der in Fig. 1 dargestellte Reaktor besteht aus einem nach unten hin offenen Oberteil 16, das von Trägern 15 getragen wird, einem drehbaren Unterteil 17 und einem stationären Boden 18. Das Unterteil 17 ist über eine Wasserschleuse 19 mit dem Oberteil 16 verbunden und wird von mehreren Stützund Tragrollenpaaren 21, 22 getragen, die entlang eines ringförmigen Flansches 20 geführt sind. Das Unterteil 17 besteht zu einem wesentlichen Teil aus einem Kühlmantel 23, durch den ein Kühlmittel hindurchströmen kann und der von einem Zahnring 24 umgeben ist, um den Kühlmantel 23 über ein Zahnrad 25 antreiben zu können, das mit dem Zahnring 24 kämmt und von einem Antriebsmotor angetrieben wird.
Im Inneren des Unterteils 17 sind mehrere Austragsschaufeln 26 angeordnet, die dazu dienen, während der Rotation des Unterteils 17 verkoktes Material durch einen Ringraum auszutragen, der von dem Unterteil 17 und dem Boden 18 begrenzt wird.
Der Boden 18 ist schüsselförmig gestaltet und bildet zusammen mit dem unteren Rand des Unterteils 17 eine Wasserschleuse 27.
Die in dem Reaktor gemäss Fig. 1 zu verkokende Kohle wird der Reaktorkammer durch Öffnungen 28 zugeführt, die über der Induktionsspule 12 liegen; aufgrund der durch die Schaufeln 26 hervorgerufenen Förderwirkung sinkt die zugeführte Kohle durch die Reaktorkammer nach unten und passiert dabei den Bereich der Induktionsspule 12. In diesem Bereich wird das Material auf die Verkokungstemperatur erwärmt und bildet das induktiv erwärmte Bett 14. Die dem Reaktor zugeführte Kohle wird bereits in einem wesentlichen Umfang vor Erreichen des von der Induktionsspule 12 umgebenden Bereiches verkokt, und zwar u. a. durch die von dem Verkokungsbett 14 ausgehende Konvektions- und Strahlungswärme. Die auf induktivem Wege erzeugte Wärme entsteht somit in einem Teil des dem Verkokungsvorgang unterworfenen Materials, das praktisch völlig frei von vergasbaren Bestandteilen ist.
Der Koks wird vor Verlassen des Reaktors im Bereich der Wasserschleuse 27 und durch den Kühlmantel 23 abgekühlt.
Die Kohle wird der Reaktorkammer im wesentlichen kontinuierlich zugeführt. Bei dem dargestellten Beispiel wird die
Kohle der Reaktorkammer durch Kohlebeschickungsvorrich tungen zugeführt, von denen jede einen Trichter 29 umfasst, dessen Auslass in eine Leitung 30 mündet, die ihrerseits durch die Öffnung 28 in die Reaktorkammer führt. An dem von der Reaktorkammer abgewandten Ende der Leitung 30 befindet sich ein Druckzylinder 31, mit dem die Kohle aus dem Trichter
29 durch die Leitung 30 in die Reaktorkammer gefördert wird.
In Fig. 1 sind nur eine Kohlebeschickungsvorrichtung und eine Öffnung 28 für eine weitere Kohlebeschickungsvorrichtung dargestellt.
Der Verkokungsreaktor ist mit einer unteren Auslassleitung 32 und einer oberen Auslassleitung 33 versehen, durch die einzeln oder gemeinsam das während des Verkokungsprozesses in dem Reaktor gebildete Gas abgeleitet werden kann.
Die untere Auslassleitung 32 geht von einer unterhalb der In duktionsspule 12 liegenden Stelle aus und steht über einen
Ringkanal 34 und mehrere Öffnungen 35 mit der Reaktorkammer in Verbindung. Oberhalb der Spule 12 münden mehrere Leitungen 37 durch Öffnungen 36 in die Reaktorkammer.
Durch diese Leitungen 37 können der zu verkokenden Kohle vorzugsweise flüssige Kohlenwasserstoffe zugeführt werden.
Oberhalb des sich in der Reaktorkammer befindlichen Bettes liegen mehrere Brenner 38, denen jeweils eine Brennstoffleitung 39 und eine Leitung 40 zugeordnet sind, die zum Zuführen von sauerstoffhaltigem Gas, beispielsweise Luft, dient. Die von den Brennern 38 herrührenden Verbrennungsgase gelangen durch Öffnungen 41 in die Reaktorkammer. Die Öffnungen 41 sind so gerichtet, dass die eingeleiteten Verbrennungsgase in dem über dem Bett liegenden Raum eine Wirbelbewegung erzeugen. In Fig. 1 ist nur ein Brenner 38 dargestellt.
Unter bestimmten Umständen kann es ausreichen, in den über dem Bett liegenden Raum des Reaktors nur Luft oder ein anderes sauerstoffhaltiges Gas einzublasen, um die während des Verkokungsprozesses gebildeten Gase zu verbrennen.
Wenn nur die obere Auslassleitung 33 benutzt wird, wobei dann die Auslassleitung 32 mittels eines nichtdargestellten Ventils geschlossen ist, strömen die während des Verkokungsprozesses in der Reaktorkammer gebildeten Gase in der Reaktorkammer nach oben und durch die Auslassleitung 33. Um die Kohle vorzuwärmen und den Verkokungsprozess einzuleiten, werden die während des Verkokungsprozesses gebildeten Koksgase, die durch das Bett nach oben strömen, zusammen mit gegebenenfalls durch die Leitungen 37 zugeführten Kohlenwasserstoffen mittels der Brenner 38 mehr oder weniger vollständig über dem Bett verbrannt. Der Wärmeinhalt der durch die Auslassleitung 33 ausströmenden Gase wird vorzugsweise zur Erzeugung von Dampf oder elektrischer Energie ausgenutzt.
Wenn nur die untere Auslassleitung 32 benutzt wird, wobei dann die obere Auslassleitung 33 mittels eines nichtdargestellten Ventils geschlossen ist, verlassen die während des Verkokungsprozesses gebildeten Gase die Reaktorkammer durch die Öffnungen 35, den Ringkanal 34 und die untere Auslassleitung 32. Es ist unter Umständen vorteilhaft, über dem Bett mittels der Brenner 38 eine reduzierende Verbrennungszone zu schaffen, die einen Teil der für den Verkokungsprozess benötigten Energiemenge liefert.
Die durch die Leitungen 37 zugeführten Kohlenwasserstoffe werden gekrackt, wenn sie den Teil des Bettes 14 passieren, dessen Temperatur über der Kracktemperatur der Kohlenwasserstoffe liegt, so dass sich an dem gebildeten Koks Kohlenstoff niederschlägt, wodurch die Qualität des Kokses beträchtlich verbessert wird.
Die die Reaktorkammer durch die Auslassleitung 32 verlassenden Gase, die reich an brennbaren Substanzen sind, können vorteilhafterweise verbrannt und wieder genutzt werden, um elektrische Energie zu erzeugen, die zur Induktionserwärmung des eigentlichen Verkokungsbettes 14 benötigt wird. Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 1 wird der Wärmeinhalt der durch die Leitung 32 ausströmenden Gase in einem indirekten Wärmetauscher 42 wiedergewonnen.
Die gebildeten Gase können jedoch auch gleichzeitig durch die beiden Auslassleitungen 32 und 33 abgeführt werden. In diesem Fall kann in der Reaktorkammer über dem Bett bzw.
der Reaktorfüllung vorteilhafterweise eine oxydierende Verbrennung stattfinden, wodurch sichergestellt ist, dass sämtliche gebildeten oxydierenden Gase und nur ein Teil der Verkokungsgase die Reaktorkammer durch die Auslassleitung 33 verlassen, während ein Teil der Krackgase, die aufgrund der durch die Leitungen 37 zugeführten Kohlenwasserstoffe gebildet werden, durch die Auslassleitung 32 ausströmen.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Reaktor haben die Bezugszeichen 10 bis 14, 32, 35 und 42 die gleiche Bedeutung wie in Fig. 1. Mit dem Reaktor gemäss Fig. 2 werden gasförmige Stoffe reduziert und/oder aufgekohlt, indem sie in Kontakt mit dem induktiv erwärmten Koksbett 14 gebracht werden, wobei in der Reaktorkammer eine solche Temperatur aufrechterhalten wird, dass die Rückstände des während des Prozesses verbrauchten Kokses im unteren Teil des Reaktors in geschmolzener Form erhalten werden. Der geschmolzene Koksrückstand 43 wird entweder kontinuierlich oder, wie dargestellt, intermittierend durch ein Abstichloch 44 und eine Rinne 45 abgeleitet. Das zu reduzierende und/oder zu aufkohlende gasförmige Medium, beispielsweise Wasserdampf, wird durch eine Leitung 46 zugeführt, nachdem es einem Wärmetauschprozess in dem indirekten Wärmetauscher 42 unterworfen worden ist.
Das reduzierte und/oder aufgekohlte Gas verlässt den Reaktor durch die Öffnungen 35 und die Leitung 32. Die Öffnungen 35 steigen vom Kammerinneren nach aussen hin schräg nach oben an, um zu verhindern, dass Koks in den Ringkanal 34 eindringen kann. Koks oder gegebenenfalls Kohle, der bzw. die während des Durchganges durch den Bereich der Spule 12 innerhalb der Reaktorkammer verkokt wird, wird der Reaktorkammer über eine Beschickungsvorrichtung 47 zugeführt, um damit den in dem Bett 14 verbrauchten Koks zu ersetzen.
Wenn es sich bei dem durch die Beschickungsvorrichtung 47 zugeführten Material um Kohle handelt, wird diese Kohle während des Durchganges durch den von der Induktionsspule 12 umgebenen Bereich verkokt, wobei die Verkokungsgase, nachdem sie in dem Bett 14 gekrackt worden sind, zusammen mit dem reduzierten und/oder aufgekohlten gasförmigen Medium durch die Auslassleitung 32 die Reaktorkammer verlassen. Wenn die Kohle nur eine niedrige Qualität hat, ist es vorteilhaft, durch die Leitung 48 Kohlenwasserstoffe in solchen Mengen zuzuführen und in der Reaktorkammer solche Bedingungen aufrechtzuerhalten, dass die Kohlenwasserstoffe, nachdem sie gekrackt worden sind, sich auf dem neu gebildeten Koks niederschlagen, wodurch die mechanische Festigkeit des Kokses beträchtlich verbessert wird.
In Fig. 3 ist ein Reaktor zum Reduzieren und Schmelzen von Eisenoxydpulver dargestellt. Die Bezugszeichen 10 bis 14.
37 bis 41, 44, 45 und 47 haben die gleiche Bedeutung wie in den Fig. 1 und 2. Der obere Teil des Reaktors ist als Strahlungskammer eines dem Reaktor benachbarten Dampfkessels ausgebildet. Der Dampfkessel selbst ist in Fig. 3 nicht darge stellt. Der obere Teil der Reaktorkammer ist von einem Heizmantel 49 umgeben, durch den Wasser oder Dampf strömt und der von einer wärmeisolierenden Schicht 50 umgeben ist.
Die Materialzuführungsleitung 51 erstreckt sich von der über dem Reaktor angeordneten Beschickungsvorrichtung 47 nach unten in die Reaktorkammer und ist doppelwandig ausgebildet, so dass flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel die Leitung 51 umströmen kann. Die Reaktorwand unterhalb des von der Induktionsspule 12 umgebenen Bereiches wird mittels eines Kühlmittels 52 gekühlt. Ein Materialgemisch, das Eisenoxyd, Koks oder gegebenenfalls in der Reaktorkammer zu verkokende Kohle und gegebenenfalls einen Schlackenbildner umfasst, wird durch die Leitung 51 der Oberseite des Bettes zugeführt, das hauptsächlich aus Koks besteht. Durch die Leitung 37 können flüssige oder gasförmige Kohlenwasserstoffe der Reaktorfüllung zugeführt werden, die mittels der Brenner 38 vorerwärmt wird.
Das auf diese Weise vorerwärmte Eisenoxydmaterial wird zu einem gewissen Umfang oberhalb des Koksbettes vorreduziert und metallisiert, wobei das Eisenoxydmaterial zusammen mit dem Schlackenbildner im oberen Bereich der induktiv erwärmten Zone geschmolzen wird, woraufhin das Eisenoxyd abschliessend reduziert und während des Durchganges durch das Koksbett 14 bei gleichzeitigem ständigen Verbrauch dieses Bettes karbonisiert wird. Das sich während dieses Vorganges verbrauchende Koksbett 14 wird jedoch in entsprechendem Umfang durch die der Reaktorkammer wieder zugeführte Koksmenge oder zu verkokende Kohlenmenge erneuert. Das geschmolzene Material wird unter dem Bett in Form einer Schlackenschicht 53 und einer kohlenstoffhaltigen Eisenschicht 54 erhalten. Das Eisen kann intermittierend durch das Abstichloch 44 und die Rinne 45 abgezogen werden.
Die Schlacke wird vorzugsweise kontinuierlich durch das Abstichloch 55 und über die Rinne 56 abgezogen bzw. abgeschlackt.
Zu diesem Zweck ist dem Abstichloch 55 ein verstellbarer Stöpsel 57 zugeordnet, der mittels einer (nichtdargestellten) Antriebseinrichtung verstellbar ist und so betätigt wird, dass die Grenzschicht zwischen dem Bett 14 und der Schlackenschicht 53 innerhalb der Reaktorkammer auf einem bestimmten Niveau gehalten wird. Das Kohlenmonoxyd enthaltende Gas, das während des Reduktionsprozesses gebildet wird, und ebenso der Rückstand der durch die Leitung 37 zugeführten Kohlenwasserstoffe und gegebenenfalls auch Koksgase werden über der Reaktorfüllung mittels der Brenner 38 verbrannt.
Der in Fig. 3 dargestellte Reaktor kann vorteilhafterweise auch zur endgültigen Reduktion und zum Schmelzen von vorreduziertem Eisenoxyd, beispielsweise Eisenschwamm, verwendet werden. Der Reaktor gemäss Fig. 3 kann auch zum Reduzieren und gegebenenfalls Karbonisieren oder Karburieren von anderen, feste Metalloxyde enthaltenden Stoffen verwendet werden, beispielsweise zur Behandlung von geschmolzenem Kalziumkarbid, Kalziumoxyd und kohlenstoffhaltigem Material, das durch die Leitung 51 zugeführt wird.
Bei der Fig. 4 haben die Bezugszeichen 10 bis 14, 28 bis 31, 44, 45, 52 bis 57 die gleiche Bedeutung wie in den Fig. 1 bis 3. Fig. 4 zeigt einen Reaktor zum Schmelzen von grossstückigen Materialien, die ganz oder teilweise metallisch sein können und insbesondere Metallschrott, wie Drehbankspäne u. dgl.. umfassen können. Der Schrott wird dem induktiv erwärmten Koksbett 14 durch die Beschickungsvorrichtung 30, 31 zusammen mit Koks oder Kohle und gegebenenfalls mit einem Schlackenbildner zugeführt. Der Schrott wird oberhalb des Bettes 14 und in dem Bett 14 sowohl durch induktive Erwärmung als auch infolge des Kontaktes mit dem Koksbett geschmolzen, so dass geschmolzene Koksasche und Schlacke zusammen mit dem geschmolzenen und gegebenenfalls aufbereiteten Schrottmaterial unter dem Bett 14 als Schlackenschicht 53 bzw. Eisenschicht 54 erhalten werden.
Wenn der Reaktorkammer Kohle zugeführt wird, ist darauf zu achten, dass die Kohle, bevor sie das Bett 14 erreicht, zumindest in einem wesentlichen Umfang verkokt worden ist. Falls erwünscht, können der Reaktorfüllung flüssige oder gasförmige Kohlenwasserstoffe zugeführt werden, und das Material kann in der Reaktorkammer vorerwärmt werden, indem brennbare Stoffe in der in Verbindung mit den Fig. 1 bis 3 beschriebenen Weise verbrannt werden. Die Grenzschicht zwischen der Schlackenschicht 53 und dem Koksbett 14 wird durch einen gesteuerten Schlackenabzug durch das Abstichloch 55 auf dem erwünschten Niveau gehalten.
In Fig. 5 haben die Bezugszeichen 10, 12 bis 14, 44, 45, 47, 49 bis 52 und 55 bis 57 die gleiche Bedeutung wie in den Fig. 1 bis 3. Fig. 5 zeigt einen Reaktor zur Wiedergewinnung von mindestens einem verhältnismässig leicht flüchtigen Metall oder einer leicht flüchtigen Metallverbindung und einem verhältnismässig schwer flüchtigen Metall aus beispielsweise Schlackenschmelze. Innerhalb des Reaktors wird im Bereich der Induktionsspule 12 ein Koksbett 14 geschaffen, dem die Schlackenschmelze kontinuierlich oder intermittierend zugeführt wird. Gemäss Fig. 5 wird die Schlackenschmelze aus einer Giesspfanne 59 in eine Rinne 60 gegossen, aus der die Schmelze durch mehrere in die Reaktorwand ragende Verteilerieitungen 61 auf der Oberseite des Bettes 14 verteilt wird.
Das Bett wird auf einer solchen Temperatur gehalten, dass das leicht flüchtige Metall bzw. die leicht flüchtige Metallverbindung, beispielsweise Zink und/oder Blei in oxydischer oder sulfidischer Form, verdampft wird und die Reaktorkammer verlässt, gegebenenfalls nachdem ein Verbrennungsprozess mit einem sauerstoffhaltigen Gas, beispielsweise Luft, stattgefunden hat, das durch Leitungen 62 zugeführt worden ist. Der Schlackenrückstand strömt durch das Koksbett 14 nach unten, in dem die schwer flüchtigen Metalloxyde, beispielsweise Eisenoxyd, reduziert und im Kontakt mit dem Bett karbonisiert werden, wobei das Bett gleichzeitig verbraucht wird. Das innerhalb des Bettes verbrauchte Material wird in der erforderlichen Weise ersetzt, indem frisches Bettmaterial durch die Leitung 51 zugeführt wird, und zwar vorzugsweise zusammen mit einem geeigneten Schlackenbildner.
Das reduzierte Metall wird in Form einer unteren Schmelzenschicht 63 am Boden des Reaktors erhalten, während der Rückstand der zugesetzten und gebildeten Schlacke sich in Form einer Schlackenschicht 64 über der Schmelzenschicht 63 sammelt. Die Grenzschicht zwischen der Schlackenschicht 64 und dem Koksbett 14 wird auf dem erwünschten Niveau gehalten, indem kontinuierlich oder intermittierend Schlacke aus der Schlackenschicht 64 abgezogen wird.
In Fig. 6 ist ein Teil einer Reaktorwand dargestellt, die eine keramische Auskleidung 10 und einen Stahlblechmantel 11 umfasst. Die die Auskleidung 10 umgebende Induktionsspule besteht aus Röhren, die mit einem durch die Röhren strömenden Kühlmittel gekühlt werden können. Die Spule 12 ist teilweise in eine keramische Füllmasse 65 eingebettet. Sowohl die Auskleidung 10 als auch die Füllmasse 65 sind in einem bestimmten Umfang gasdurchlässig.
Um zu verhindern, dass festes, flüssiges oder gasförmiges Material aus der Reaktorkammer durch die der Spule 12 gegenüberliegende Reaktorwand zur Spule 12 strömt, wird in dem Bereich der Reaktorwand, der von der Spule 12 umgeben ist, ausserhalb des Reaktors ein Überdruck aufgebaut, der über dem höchsten Druck liegt, der in der zugeordneten Zone der Reaktorkammer zu erwarten ist. Der Überdruck wird mittels eines Gases aufgebaut, das elektrisch nichtleitend ist, um eine elektrische Leitung zwischen den einzelnen Windungen der Induktionsspule 12 zu verhindern. Um die Induktionsspule 12 ist vorzugsweise mittels eines Gehäuses 67 eine ringförmige Druckkammer gebildet, der Druckgas, beispielsweise Luft oder ein im wesentlichen inertes Gas, durch eine Leitung 66 zugeführt wird. Der mittels des Gehäuses 67 gebildete Druckraum ist gegenüber der umgebenden Atmosphäre abgedichtet.
Fig. 7 zeigt einen Teil einer Reaktorwandung, die eine Auskleidung 10, eine Füllmasse 65 und eine Induktionsspule 12 umfasst. Die Abschnitte zwischen benachbarten Windungen der Spule sind gegenüber der den Reaktor umgebenden Atmosphäre mit einem Dichtmaterial 68 ausgefüllt, das vorzugsweise ein Isoliermaterial ist. In dem Isoliermaterial 68 sind mehrere Öffnungen 69 angeordnet, durch die in Richtung der Pfeile Druckgas den Abschnitten der Reaktorwandung 10, 65 zugeführt werden kann, die sich im Bereich der Induktionsspule 12 befinden.
Die in Fig. 8 dargestellte Reaktorwandung entspricht prinzipiell der Anordnung gemäss Fig. 7. Ein Teil der aus einer Auskleidung 10 und einer Füllmasse 65 bestehenden Reaktorwand ist von einer spiralförmig gewickelten Induktionsspule 12 umgeben. Die Abdichtung bzw. Isolierung zwischen be benachbarten Spulenwindungen erfolgt mittels eines ebenfalls spiralförmig gewickelten Schlauches 70 od. dgl. aus elastomerem Material. Um verhältnismässig kleine und damit wirkungsvollere Dichtflächen zwischen dem Schlauch 70 und der Induktionsspule 12 zu erhalten, sind an der Induktionsspule 12 Leitungen 71 angeschweisst, die einen kleinen Durchmesser haben. Der Schlauch 70 dient gleichzeitig dazu, der Reaktorwand 10, 65 Druckgas zuzuführen.
Der Schlauch 70 ist zu diesem Zweck an eine (nichtdargestellte) Druckgasquelle angeschlossen und weist Gasauslassöffnungen 72 auf, die zur Reaktorwand gerichtet sind.
In Fig. 9 ist ein Teil einer Reaktorwandung dargestellt, die eine Auskleidung 10 und eine Füllmasse 65 umfasst und von einer Induktionsspule 12 umgeben ist. Jede Spulenwindung hat einen trapezförmigen Querschnitt und ist oben und unten mit nach aussen ragenden Flanschabschnitten 73 versehen. Zwischen den benachbarten Flanschabschnitten 73 von aufeinanderfolgenden Spulenwindungen befinden sich Dichtungseinlagen 74 aus elastomerem Material, die mit Öffnungen 75 versehen sind, durch die der Füllmasse 65 ein Druckgas zugeführt werden kann. Die Dichtungseinlagen 74 sind über ihre Länge mit mehreren derartigen Öffnungen 75 versehen. Das Druckgas wird den Offnungen 75 durch Verteilerleitungen 76 zugeführt, die zu einer Hauptleitung 77 führen, welche zur Versorgung von mehreren Verteilerleitungen 76 dient.
In Fig. 10 ist dargestellt, wie jede Spulenwindung einer Spule 12 aus mehreren Einzelelementen 78a bis 78d zusammengesetzt sein kann, die jeweils in ein und derselben Ebene liegen und von denen jedes sich über einen Bogen von weniger als 1800 erstreckt. Die zwischen den Elementen 78a bis 78d liegenden Leitungen 79 dienen zur Führung eines Kühlmittels und gegebenenfalls auch zur Stromführung zwischen benachbarten Elementen 78a bis 78d. Zwischen den Einzelelementen sind Dichtungselemente 80 angeordnet.
Fig. 11 zeigt in vergrössertem Massstab den Anschlusspunkt zwischen benachbarten Einzelelementen 78a und 78b, die im wesentlichen die in Fig. 9 abgebildete Form haben. Die Flanschabschnitte 73 des einen Elementes 78a hören kurz vor dem Ende dieses Elementes auf, während das andere Element 78b mit einem Flansch 81 versehen ist, der über das Element 78a ragt. Die Abdichtung zwischen benachbarten Elementen 78a, 78b erfolgt mittels einer Dichtung 82, die zwischen der Innenseite des Flansches 81 und der Aussenseite des Elementes 78a eingeklemmt ist; diese Dichtung 82 ermöglicht in einem bestimmten Umfang in Längsrichtung eine Relativbewegung zwischen den Elementen 78a, 78b.
In Fig. 12 ist eine Spulenanordnung dargestellt, die aus zwei Teilspulen zusammengesetzt ist, wobei jede Teilspule drei Spulenwindungen 83 bis 85 bzw. 86 bis 88 umfasst. Jede Spulenwindung ist in ein und derselben Ebene angeordnet und kann in der in Fig. 10 dargestellten Weise in Einzelelemente aufgeteilt sein. Zwischen den gegenüberliegenden Enden jeder Spulenwindung und zwischen benachbarten Spulenwindungen liegen Dichtungen 89. Der Strom wird den Teilspulen 83 bis 85 bzw. 86 bis 88 durch Leitungen 90 zugeführt. Der Strom wird von den Leitungen 90 über Kontakte 91 bis 94 abgegrif fen; der Stromfluss zwischen benachbarten Spulenwindungen jeder Teilspule erfolgt über Kontakte 95 und 98. Gemäss Fig. 12 haben die Teilspulen 83 bis 85 und 86 bis 88 unterschiedliche Windungs- bzw.
Wicklungsrichtungen und benachbarte Enden der Teilspulen sind im Prinzip an den gleichen Punkt des Stromzuführungssystems angeschlossen, wodurch die Spannung zwischen den Spulenwindungen 85 und 86 ständig gleich Null ist.
Die Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens werden anhand der folgenden Beispiele näher beschrieben.
Beispiel 1
Ein Koksbett mit einem Durchmesser von 7 m und einer Höhe von etwa 5 m wurde in einem Reaktor gemäss Fig. 1 auf einer Temperatur über 1000" C gehalten. Von dem Bodenbereich des Koksbettes wurde Koks kontinuierlich mit einer Geschwindigkeit von etwa 74,5 t je 24 h ausgetraten, wobei die Bettfüllung kontinuierlich erneuert bzw. aufgefüllt wurde, indem der Oberseite des Bettes Kohle zugeführt wurde. Die Kohle, die 29 Gew. % flüchtige Bestandteile, bezogen auf die verbrennbare Substanz, und 12 Gew. % Asche enthielt, wurde mit einer Geschwindigkeit von etwa 100 t je 24 h zugeführt und in dem Reaktor unter Abgabe von Gasen verkokt.
Dem Koksbett wurde elektroinduktiv mit einer Induktionsspule, die den Reaktor im Bereich des einen Durchmessers von 7,5 m und eine Höhe von 4,5 m aufweisenden Koksbettes umgab, eine Energiemenge von 110 MWh je 24 h bei einer Frequenz von 100 Hz zugeführt. Diese Energiemenge war ausreichend, um die erforderliche Bettemperatur aufrechtzuerhalten und um die Kohle zu verkoken. Das in einer Menge von etwa 60 000 Nm3 je 24 h anfallende Gas bestand im wesentlichen aus Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen.
Beispiel 2
Ein Gas, das im wesentlichen aus 20 Vol. % CO2, Rest CO und H2, bestand, wurde kontinuierlich in einer Menge von 220 000 Nm3 je 24 h durch einen in Fig. 2 dargestellten Reaktor geschickt, der ein elektroinduktiv erwärmtes Koksbett der im Beispiel 1 dargestellten Art aufwies. Das dem Reaktor zugeführte Gas wurde auf eine Temperatur von etwa 800" C vorerwärmt. Das das Bett durchströmende und den Reaktor verlassende reduzierte Gas bestand aus CO, H2 und Kohlenwasserstoffen, wobei die Gasmenge etwa 283 000 Nm3 je 24 h betrug. Dem Koksbett wurde mit der im Beispiel 1 beschriebenen Induktionsspule elektroinduktiv bei einer Frequenz von 100 Hz eine Energiemenge von 100 MWh je 24 h zugeführt.
Um den verbrauchten Koks zu ersetzen, wurde Kohle der im Beispiel 1 beschriebenen Art in einer Menge von etwa 35 t je 24 h der Oberseite des Koksbettes zugeführt, wobei während der gleichen Zeit etwa 4 t Asche aus dem Reaktor abgeführt wurden.
Beispiel 3
Einem elektroinduktiv erwärmten Koksbett der im Beispiel 1 beschriebenen Art, das sich in einem Reaktor der in Fig. 3 dargestellten Art befand und auf einer Temperatur von etwa 1500 C gehalten wurde, wurde vorreduziertes Eisenoxyd, das eine Zusammensetzung etwa gemäss FeO hatte, kontinuierlich in einer Menge von 72 t je 24 h zugeführt, und zwar zusammen mit 19 t je 24 h einer Kohle der im Beispiel 1 beschriebenen Art. Vom Boden des Reaktors wurde geschmolzenes Metall (Roheisen) in einer Menge von 55 t je 24 h zusammen mit einer geschmolzenen Schlacke in einer Menge von 6 t je 24 h abgezogen, wobei das geschmolzene Metall einen Kohlenstoffgehalt von etwa 4 Gew. % hatte.
Vom Kopf des Reaktors wurde Gas einer Menge von etwa 30 000 Nm3 je 24 h abgezogen, wobei das Gas im wesentlichen Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxyd enthielt. Zur Aufrechterhaltung der erforderlichen Bettemperatur und zur Durchführung der Reduktion wurden dem Koksbett mittels einer Induktionsspule der im Beispiel 1 beschriebenen Art 90 MWh je 24 h bei einer Frequenz von 100 Hz zugeführt.
Beispiel 4
Eisenoxydmaterial wurde in der im Beispiel 3 beschriebenen Weise reduziert, wobei in dem Reaktor über dem Bett Öl in einer Menge von 20 t je 24 h verbrannt wurde. Der elektrische Energieverbrauch wurde dadurch auf 70 MWh je 24 h reduziert, wobei die Produktionsgeschwindigkeit für das geschmolzene heisse Metall gleich blieb; die aus dem Reaktor abgeführte Gasmenge wuchs gleichzeitig auf 215 000 Nm3 je 24 h an, wobei das Gas hauptsächlich aus CO2 und H2O bestand.
Beispiel 5
Einem elektroinduktiv erwärmten Koksbett der im Beispiel 1 beschriebenen Art, das sich in einem Reaktor gemäss Fig. 4 befand und auf einer Temperatur von etwa 1500 C gehalten wurde, wurde Eisenschrott zugeführt, der 90 Gew. % metallisches Eisen enthielt. Der Eisenschrott wurde im wesentlichen kontinuierlich in einer Menge von 200 t je 24 h zusammen mit 7 t je 24 h Kohle der im Beispiel 1 beschriebenen Art zugeführt. Vom Boden des Reaktors wurde geschmolzenes heisses Metall (Roheisen) in einer Menge von 195 t je 24 h abgezogen und ausserdem eine Schlackenmenge von etwa 0,5 t je 24 h. Vom Kopf des Reaktors wurde Gas in einer Menge von etwa 15 000 Nm3 je 24 h abgezogen, wobei dieses Gas im wesentlichen Kohlenmonoxyd, Wasserstoff und Kohlenwasserstoffe enthielt.
Der Energieverbrauch zur Aufrechterhaltung der notwendigen Bettemperatur und zum Schmelzen des Schrottes und zum Reduzieren der oxydierten Anteile betrug 96 MWh je 24 h; diese Energiemenge wurde dem Koksbett mit einer Induktionsspule der im Beispiel 1 beschriebenen Art bei einer Frequenz von 100 Hz zugeführt.
Beispiel 6
Einem elektroinduktiv erwärmten Koksbett gemäss Beispiel 1, das sich in einem Reaktor gemäss Fig. 5 befand und auf einer Temperatur von etwa 1500 C gehalten wurde, wurde geschmolzene Fayalitschlacke, die eine Temperatur von 1450 C und einen Eisengehalt von etwa 50 Gew. % aufwies, kontinuierlich in einer Menge von etwa 20 t je 24 h zugeführt, und zwar zusammen mit einer Kalkmenge von etwa 90 t je 24 h und einer Menge von etwa 25 t je 24 h einer Kohle der im Beispiel 1 beschriebenen Art. Vom Boden des Reaktors wurde geschmolzenes heisses Metall (Roheisen) in einer Menge von 97 t je 24 h abgezogen, und zwar zusammen mit einer geschmolzenen Schlacke in einer Menge von 120 t je 24 h; die Zusammensetzung entsprach im wesentlichen der Zusammensetzung von Wollastonit.
Vom Kopf des Reaktors wurde in einer Menge von 64 000 Nm3 je 24 h Gas abgezogen, das im wesentlichen aus CO2, CO und H2 bestand. Der Energie verbrauch zur Aufrechterhaltung der Bettemperatur und zur Durchführung der Reaktionen betrug 130 MWh je 24 h; die Energiemenge wurde dem Koksbett bei einer Frequenz von 100 Hz mittels einer Induktionsspule der im Beispiel 1 beschriebenen Art zugeführt.
Beispiel 7
Einem elektroinduktiv erwärmten Koksbett gemäss Beispiel 1, das sich in einem Reaktor der in Fig. 5 beschriebenen Art befand und auf einer Temperatur von etwa 1500 C gehalten wurde, wurde Schlacke mit einer Temperatur von 12500 C zugeführt; die Schlacke stammte von einem elektrischen Kupfererzschmelzprozess und enthielt 10 Gew. % Zn, 2 Gew. % Pb, 43 Gew. % FeG, Rest SiO2. Die Schlacke wurde kontinuierlich in einer Menge von 150 t je 24 h zugeführt, und zwar zusammen mit einer Kohlenmenge (Kohle gemäss Beispiel 1) von 22 t je 24 h und einer Kalkmenge von etwa 110 t je 24 h.
Vom Boden des Reaktors wurde eine Menge von etwa 110 t je 24 h eines geschmolzenen Eisens, das einen niedrigen Kohlenstoffgehalt und einen Siliziumgehalt zwischen 2 bis 6 Gew. % aufwies, abgezogen, und zwar zusammen mit einer Schlackenmenge von etwa 75 t je 24 h, wobei die Schlacke eine Zusammensetzung aufwies, die der Zusammensetzung von Wollastonit entsprach. Im Koksbett wurde eine Gasmenge von etwa 54 000 Nm3 je 24 h gebildet. Bevor dieses Gas, welches zusätzlich zu H2, CO und CO2 13 t Zn und 3 t Pb in Dampfform enthielt, aus dem Reaktor abgezogen wurde, wurde Luft zum Oxydieren des Zn- und Pb-Gehaltes zugeführt. Die auf diese Weise erhaltenen Metalloxyde wurden in Form eines feinen Staubes in einem Dampfkessel und einem Gasreinigungssystem von der restlichen Gasmenge abgetrennt.
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PATENT CLAIMS
1. Process for the electroinductive heating of material layers with a high specific resistance g between 10-> and 10 ohm m in a device for carrying out endothermic reactions, the electroinductive heating being arranged within the material layer itself by means of at least one reactor chamber through which alternating current flows and outside Induction coil takes place, characterized in that a low-frequency alternating current is used, the frequency of which corresponds at most to 10 times the mains frequency, and that between the smallest horizontal transverse dimension d through the center of the layer cross section and the penetration depth 6 of the inductive field, a ratio between 0.2 and 2 , 5 is maintained,
this ratio is determined by the equation d - k (0.54-0.35 10log Q) 6 and k is a number between 1.1 and 1.5.
2nd A method according to claim 1, characterized in that an alternating current with line frequency or a frequency that corresponds to a whole multiple of the line frequency is used.
3rd Method according to claim 1 or 2, characterized in that it is carried out in the device with a reactor chamber which is delimited by walls which separate the induction coil (12) from the reactor chamber and have a certain gas permeability, and in that the reactor walls from the outside a gas is supplied at a pressure which is higher than the highest pressure to be expected within the reactor chamber zone which is surrounded by the induction coil (12), using a gas which is unable to establish an electrical connection between the coil turns to manufacture.
4th A method according to claim 3, characterized in that the pressure gas supplied to the reactor wall is supplied in such a way that a gas flow through the reactor wall in the direction away from the reactor chamber is prevented.
5. Method according to claim 4, characterized in that at least that part of the reactor wall which is surrounded by the induction coil (12) is surrounded by a pressure chamber.
6. A method according to claim 5, characterized in that the gas is supplied to the reactor wall through the pressure chamber.
7. A method according to claim 4, characterized in that the sections between adjacent coil turns are sealed against the atmosphere surrounding the reactor, and that the gas is supplied within the areas sealed to the outside.
8th. Method according to one of claims 3 to 7, characterized in that an induction coil is used which is composed of several individual elements, each individual element having only a base length corresponding to an angle of at most 1800.
9. Method according to one of claims 3 to 8, characterized in that an induction coil is used. which is composed of several sub-coils.
10th Method according to one of claims 3 to 9, characterized in that each coil turn lies in one plane.
II. Method according to patent claim 9 or 10, characterized in that adjacent partial coils have different winding or Have winding directions, and that adjacent ends of adjacent coil sections are connected to one and the same point of the power supply system.
12. Method according to one of the claims 3 to 11, characterized in that the compressed gas supplied to the outside of the reactor has a composition which has no harmful influence on the process taking place within the reactor chamber.
13. A method according to claim 12, characterized in that an essentially inert gas is used which prevents the formation of a carbon deposit at least in those areas of the reactor chamber wall which are in the immediate vicinity of the induction coil.
The invention relates to a method for the electroinductive heating of material layers with a high specific resistance (P) in a device for carrying out endothermic reactions, the electroinductive heating taking place within the material layer itself by means of at least one induction coil through which alternating current flows and which is arranged outside of a reactor chamber containing the material layer.
The invention relates in particular to the implementation of endothermic processes in a coke bed. Coke made from coal that has been produced from organic materials by pyrolysis is used in industry in various processes in which coal or carbon-containing material oxidized and / or in or is dissolved or reacted with other substances. In the following, the term coke means all carbon-containing substances which have been obtained from organic materials by pyrolysis.
The heat required to carry out the processes envisaged can be supplied to the reactor chamber in various ways. Thus, the coke and the other reactants can be preheated, or the heat can be generated in the reactor chamber by partially burning the coke, or the heat can be supplied through the reactor walls.
Other procedures are based on directly electrically heating the coke or reaction mixture. Despite the normally relatively high cost of the electrical power unit, these procedures have various advantages over the other procedures described above. The following are to be mentioned as advantages: lower and space-saving expenditure for the plant for the execution of the process and for the treatment of possible exhaust gases; great flexibility and adaptability with regard to the implementation of the procedure; a greater choice of raw materials with different properties; good utilization of the energy supplied to the process and relatively low investment costs.
A common procedure for generating thermal energy by means of electrical current is to send electrical current through electrodes in order to heat the reaction mass by resistance heating or by electrical arcing.
It is also known to induce electrical currents in the reaction mass or the material to be treated by applying an electromagnetic alternating field to the mass, which in the art is known as inductive heating or Induction heating is called. The inductive heating is u. a. in connection with the production of coke from coal. Due to the relatively high electrical resistance of the material, it has been assumed that in these cases it is necessary to either use an alternating field with high frequencies
turn or heat the material by means of the secondary winding of a transformer-like device.
However, the use of high frequencies leads to certain restrictions in technical and economic terms. For practical reasons, it is also often desirable to avoid the transformer method in which coal or other material is placed in a trough to form a closed circuit.
In contrast to this, the method according to the invention is characterized in that, in the case of a material layer with a specific resistance between 104 and 10 ohm-m, a low-frequency alternating current is used, the frequency of which is at most 10 times the mains frequency, and between the smallest horizontal transverse dimension (d) a ratio between 0.2 and 2.5 is maintained by the center point of the layer cross section and the penetration depth (d) of the inductive field, this ratio value being given by the equation d = k (0.54 - 0.35 10log Q)
6 is determined and k is a number between 1.1 and 1.5.
In this case, the term penetration depth is understood as
EMI2. 1
where w is the angular frequency of the electromagnetic field, measured in rad / sec, u the permeability (in the case of non-magnetic substances about 4, r 10-7) and g is the resistivity of the material layer, measured in ohm m. The transverse dimension d is measured in meters.
Proceeding from this, it has proven to be possible to use low frequencies when carrying out the method according to the invention, it only being necessary to bring the transverse dimension to a comparatively small dimension in comparison to the dimensions involved in the low-frequency heating of material which has a has a low resistance value,
For example, when inductively heating a coke bed with a resistivity of 10-2 ohm m with an alternating current at a frequency of 100 Hz, it has been found that an induction coil with a diameter of 7.5 m can be used in a satisfactory manner, and only with a ratio of coil height to coil diameter of 0.6.
When the method is carried out, very high amounts of energy can be generated in a coke bed with an electromagnetic field of relatively low strength. If the coil is made of copper, the losses caused by the inductive heating of the induction coil are only a few percent of the energy supplied.
In the example described above, about 30 MW were generated in the coke bed with a field strength of only 50 ka / m; the losses in the copper coil only reached 600 kW, i. H.
about 2% of the energy supplied.
When using inductive heating, which can also be used for larger materials in beds with a specific resistance in the order of 10 to 104 ohm m, the high resistance, which was previously regarded as disadvantageous and an obstacle, has been converted into an advantage .
It is advantageous to use alternating current at the mains frequency if it is desired to derive the energy from the mains, since in this way it is possible to keep the installation and operating costs low. If it is desired to increase the frequency, it is advantageous to send an alternating current through the induction coil, the frequency of which is not greater than 10 times, preferably not greater than the value of the mains frequency; in one embodiment, it is advantageously operated with a frequency value that corresponds to a whole-part multiple of the network frequency.
Within these ranges, it is possible to obtain current of the desired frequency relatively cheaply and with a good utilization factor, since cheap, simple, motor-driven or turbine-driven generators can be used. Frequency multipliers or thyristor-controlled current rectifiers can also be used if extremely high powers are not required.
If energy of low or relatively low frequency is inductively supplied to a bed with a specific resistance in the range from 10 to 104 ohm m, the method according to the invention can achieve the following advantages over the known methods:
1. The energy developed per unit volume by relatively large reactor units can be increased considerably; in this way you get an extremely effective reactor.
2nd The depth of penetration of the field is large relative to the cross-sectional area of the reactor, as a result of which a more uniform generation of energy is achieved over the cross-section of the reactor.
3rd Very large amounts of energy can be generated inductively, which were previously not possible.
4th The electrical efficiency or the use of electrical energy is considerably improved.
5. Plants for generating electricity of the desired low frequency are simpler and cheaper and operate with a better electrical efficiency, and in many cases the mains frequency can be used.
When carrying out the method, it is not necessary to generate all of the heat required electro-inductively. It is therefore within the scope of the invention to supply the reactor chamber with part of the heat required for carrying out the process by burning combustible substances within the chamber.
In a first example, the method for coking coal, which is preferably continuously supplied to the reactor chamber at least to a substantial extent, can be used. The heat generated in an electroinductive manner is generated in the part of the material which is currently undergoing the coking process, this part of the material subjected to the coking process having been brought into such a state that this part of the material is essentially free of gasifiable constituents.
Since the inductively generated heat is generated directly in the material to be coked, a fast coking process is achieved, so that a very large amount of coal can be coked in a relatively small plant per unit of time.
The coke produced is preferably discharged from the reactor chamber via a liquid lock in which the coke is cooled, thereby avoiding harmful effects. In order to improve the quality of the coked material, advantageously the coke gas and / or hydrocarbons supplied to the reactor chamber are passed through the coked or substantially coked material which is in the reactor chamber and which is kept at least at the temperature which is necessary for cracking the coke gas and the hydrocarbons are needed, causing carbon to deposit on the coked material deposits. In this way, the strength of the coke is increased, and it is possible to produce high-quality coke from raw materials of inferior quality, which, for. B. is suitable for metallurgical purposes.
Part of the heat required for the coking process can be supplied to the reactor chamber in that combustible materials are burned directly in the reactor chamber, this combustion preferably not taking place in direct contact with the coked material. All or part of the gases formed during the coking process can be used as combustible substances, although other substances such as oil or Have hydrocarbons used, which are fed to the reactor chamber from the outside. The heat generated directly by combustion in the reactor chamber can preferably be used for preheating and partial coking of the coal fed to the reactor chamber.
The heat generated by the combustion of combustible materials, which is not absorbed by the material located in the reactor chamber, can preferably be recovered in the reactor chamber, namely in the radiation chamber of a steam boiler which is arranged next to the reactor, this radiation chamber being itself is located inside the reactor chamber. According to a modified embodiment, at least part of the heat content of the gases formed in the coking reactor can be used to generate steam or electrical energy. If electrical energy is to be generated, this can advantageously be done by means of steam or gas turbines, preferably hot air turbines.
The electrical energy generated in this way can be returned to the process, in the form of alternating current, which has the frequency required to carry out the method according to the invention. The still hot air, the z. B. leaves the hot air turbine, can be used for the combustion process within the reactor chamber, whereby an excellent thermal efficiency can be achieved.
The method can also be used in connection with the reduction and / or carburization of gaseous substances, for example in the production of reducing gases or protective gases, the gaseous substance being hydrogen or gases resulting from reduction processes, advantageously hydrocarbons are mixed; the gaseous substances can preferably be passed essentially continuously through the inductively heated coke bed, the coke bed essentially consuming itself or uses up.
As a result of the coking process, it is possible in this way to achieve a high output with a reactor of relatively small dimensions, which is based on the fact that the heat generated by induction is distributed extremely evenly over the entire coke bed. The temperature of the bed is preferably maintained at a level such that the slag formed when the coke is used up is obtained in the form of a melt at the bottom of the reactor chamber, from where the slag melt is withdrawn either intermittently or continuously from the reactor chamber. This facilitates the removal of residues, which are formed when the coke is consumed, from the reactor chamber.
In order to maintain uniform conditions within the reactor chamber, the coke consumed in the coke bed can be replaced or replaced essentially continuously. be supplemented. In order to replace the coke consumed in the bed, coal is fed to the reactor chamber, which is coked within the chamber, so that a bed or a filling is constructed from an inexpensive raw material, the quality of the coke formed being improved in the manner described above in connection with the coking of the coal, while at the same time within the process, those released during the coking process and / or the reactor chamber supplied hydrocarbons can be used.
In order to improve the heat balance of the process, the gaseous substances to be reduced and / or carburized can be preheated by direct heat exchange with the reduced and / or carburized gas. Similarly, part of the heat required for the coking process and for the rest of the process can be supplied by burning combustible materials within the chamber. The heat generated in the combustion of fuels, which is not absorbed by the material treated within the reactor and the reactor gases, can be recovered inside or outside the reactor in the manner described above in connection with coking coal.
The combustion process within the reactor chamber takes place on the side of the coke bed from which the gaseous medium to be reduced and / or carburized is introduced into the bed. In these cases, in particular with regard to the gas flow and with regard to the structural design of the plant, it is advantageous to let the gaseous medium flow down through the coke bed present in the reactor chamber. The physical heat content of the gases leaving the reactor is preferably exploited by heat exchange between these outflowing gases and the gases supplied to the reactor.
The method can be used in a further example for the reduction and optionally for the subsequent carburization or for the formation of carbides from material containing solid metal oxide, in particular material which contains iron oxides or calcium oxides. The metal oxide-containing material is fed to the coke bed located within the reactor chamber, in which induction currents are generated that at least in the coke bed a temperature is maintained such that the metal oxide-containing material during the reduction and melting and optionally carburization or formation with simultaneous consumption of the coke bed is passed through it, and that the slag and metal or
the metal carbides formed are withdrawn continuously or intermittently from the reactor chamber.
In such a method, coke of very low quality can be used since a high and uniform temperature is obtained in the entire coke bed, which leads to a considerably increased capacity of the plant used in comparison with known reduction and melting plants. This method can be used in particular for the final reduction of pre-reduced iron oxide materials, such as iron oxide materials, which are at least reduced to FeO.
In order to optimally utilize the reducing capacity of the reducing gases formed in the coke bed during the reduction process and also the reducing capacity of those reducing gases which are obtained by adding liquid reducing agents to the coke bed, the material containing metal oxide is fed to the reactor chamber in such a finely divided state that this material is kept in a fluidized state at least during the initial reduction stages by the gases formed within the bed and rising from the bed. Such a procedure is extremely effective in reducing finely divided oxidic material, such as pyrite burns. The solid material containing metal oxides is advantageously fed to the reactor chamber in a hot or preheated state.
As a result of the different specific weights of the metal or metal carbide melt and the slag melt, to which refining and fluxing agents can advantageously be added, the metal or Metal carbide melts through the slag melt and is collected in a zone below the slag melt. The metal or metal carbide melt and the slag melt are preferably withdrawn separately from the reactor.
In particular, if the slag melt has a refining effect, it is advantageous to maintain a molten slag layer below the coke bed, so that part of the heat required to carry out the process is also generated inductively in the slag melt.
The coke consumed in the coke bed is here also replaced essentially continuously, for example by supplying coal to the reactor chamber, which coal is coked in the reactor chamber. The coal can preferably be preheated and the coking process can be initiated by burning fuels within the reactor chamber, the heat generated by the fuels being able to act directly on the coal by radiation and convection. The combustible gases can be fed to the reactor chamber in the form of hydrocarbons either in the room above the bed or directly in the area of the bed filling. The hydrocarbons are preferably brought into contact with the coke and / or the coal subjected to a coking process, the coke or.
Carbon material is kept at a temperature sufficient to crack the hydrocarbons so that the carbon is deposited on the coke or can deposit. The heat generated by the additionally supplied fuels, which is not absorbed by the substances and gases in the reactor, can be recovered outside the reactor in the manner described above.
In another example, the method can be used to melt large or particulate total or partial metallic material, for example pre-reduced metal oxides, sponge iron, scrap metal, such as scrap iron, in particular low-quality scrap metal, such as lathe chips and the like. the like , be applied. This material and a reducing agent are fed to the reactor to replace the coke consumed during the process, in which the material is electro-inductively heated and melted, so that the melted material passes through the inductively heated coke bed, with a final reduction of the oxidized material portions optionally taking place and the molten metal is optionally carbonized if necessary while the coke bed is consumed at the same time.
The metal and slag formed are then collected below the coke bed, from where the metal and slag are withdrawn continuously or intermittently from the reactor chamber.
The coke bed forms an extremely large hot contact surface, which has a reducing effect on the metal oxide melt, as a result of which there is a high reactor capacity. The molten metal and the slag melt are removed separately from the reactor. Especially when the slag melt has refining properties when e.g. B. has been formed by the addition of suitable refining agents, it is advantageous to maintain a molten slag layer under the coke bed, in which part of the heat necessary for carrying out the melting process can be generated inductively.
The coke consumed in the coke bed is substantially continuously replaced by adding coal to the reactor chamber which is subjected to a coking process. The coking can take place by burning fuels in the reactor chamber and excess heat can be used in the manner described above or
be recovered.
Due to the high contact area formed by the hot coke bed, the method for recovering at least one relatively volatile metal or a volatile metal compound containing, for example, at least one of the metals zinc, lead, arsenic, antimony, cadmium and tin, from a melt, for example slag, which is obtained when melting copper ore, which is the volatile metal in oxidic and / or contains sulfidic form. The melt or Slag is passed through the induction heated coke bed and the residence time of the melt or
Slag in the coke bed and the coke bed temperature are set to such a value that the metal oxide is reduced and the metal evaporates or the metal component is evaporated while the coke bed is consumed at the same time.
The evaporated metal or the evaporated metal compound can be oxidized by oxidative combustion of fuels in the reactor chamber and can be recovered from the combustion gases in oxide form outside the reactor. It is also possible to lead the vaporized metal or the vaporized metal compound out of the reactor chamber and to recover the metal or the metal compound in solid or liquid form by condensation outside the reactor chamber.
Furthermore, the melt supplied contains at least one oxide-bonded, preferably rapidly volatile metal, such as iron and silicon. The residence time of the melt in the bed and the coke bed temperature are set such that the oxide-bonded metal is reduced while the coke bed is consumed and is obtained in a molten state in a zone under the coke bed, from which zone the melt and treated slag are continuous or be subtracted intermittently.
The coke necessary to replace the coke consumed in the bed can be added to the reactor chamber in the manner described above or produced in the manner described above. The removal of molten metal and molten slag from the reactor chamber and the supply of additional heat into the chamber and the reactor chamber filling and also the recovery of heat not used during the reaction process can also be carried out in this case in the manner described above.
In reactors which are suitable for carrying out the process, the electrical insulation between successive turns of the induction coil and possibly also between individual coil parts presents certain problems if the reactor walls have a certain permeability for gases. It has u. a. emphasized that gas containing carbon monoxide is in certain cases able to penetrate the reactor wall from the reactor filling and form a carbon deposit which can lead to sparking in the area of the coil. These problems occur in particular in the case of very large inductively heated reactors and furnaces, in which voltages are required which have hitherto not been used in inductive heating technologies.
Another disadvantage that the coils of inductively heated reactors or Sticks in ovens is that in the event of damage to the coil, the entire coil must be replaced, which is very time-consuming and also expensive.
In the following embodiment, radio formation in the area of the induction coil can be largely prevented if the method is carried out in a device having a reactor chamber which is delimited by walls which separate the induction coil 12 from the reactor chamber and have a certain gas permeability, and if a gas is supplied from the outside of the reactor walls at a pressure which is higher than the highest pressure to be expected within the reactor chamber zone which is surrounded by the induction coil, using a gas which is unable to establish an electrical connection between to manufacture the coil turns.
The pressurized gas is supplied in such a way that it cannot flow in a direction away from the reactor chamber. This can be achieved in that at least the part of the reactor which is surrounded by the induction coil acts as a pressure chamber or Pressure chamber is formed. The pressure gas is preferably fed to the reactor wall through this pressure chamber. According to a modified embodiment, it is provided that the areas between adjacent coil turns are sealed against the atmosphere surrounding the reactor, the pressurized gas being supplied to the reactor wall at locations within the sealed area.
In order to further counteract the risk of spark formation between adjacent turns of the induction coil, it is provided here that the induction coil is designed in such a way that it can be repaired without having to dismantle the entire coil or the entire reactor. This can be achieved by using an induction coil which is composed of several arcuate individual elements, each of which has an arc length which corresponds to an angle of at most 180.
It is also intended to use an induction coil which is composed of several sub-coils. The individual coil turns can be designed so that they lie in one plane. In this way, separate loops which only extend over one turn are obtained and can be combined to form partial coils which have several turns. The following advantages are achieved:
1.
The insulating seal between the individual coil turns, between which compressed gas is supplied within the sealed area, is simplified;
2nd the number of turns of the partial coils can easily be adapted to the electrical properties of the material to be heated;
3rd the division of the coil into individual elements is simplified and also the exchange of individual elements, and
4th the expansion of the coil that occurs when the reactor is heated can be absorbed without impairing the gas-tight closure of the reactor.
Another advantage of flat loops that only extend one turn is that the loops can be combined to form partial coils with a specific number of turns in such a way that a voltage of zero prevails between adjacent turns of two partial coils. This is possible if the neighboring coil sections have different turns or Have winding directions and if the adjacent ends of adjacent coil sections are connected to the same point in the power supply system.
This arrangement ensures that there is no high voltage in the gap between two partial coils, which corresponds to the voltage between the turns of a partial coil times the number of turns of this partial coil.
The pressurized gas supplied to the outside of the reactor wall flows into the reactor chamber which receives the material to be treated. For this reason, it is necessary that the compressed gas used does not have a damaging influence on the process to be carried out within the reactor.
If there is a risk of carbon depositing on the reactor wall or secreted, is also provided. to use an essentially inert gas which prevents the formation of a carbon precipitate at least in those areas of the reactor chamber wall which are in the immediate vicinity of the induction coil.
The method is illustrated, for example, with the aid of FIG. 1 to 12 explained. It shows:
Fig. 1 is a sectional view of a coal coking reactor;
Fig. 2 shows a sectional view of a reactor for reducing and / or carburizing gaseous substances,
Fig. 3 shows a sectional view of a reactor for reducing and optionally subsequently carbonizing or carburizing solid material containing metal oxides,
Fig. 4 is a sectional view of a reactor for melting scrap metal;
Fig. 5 shows a sectional view of a reactor for treating melt, in particular slag melt,
Fig. 6 to 9 are sectional views of differently designed wall parts of a reactor used for carrying out the process,
Fig.
10 shows a section of a plan view of an induction coil, which is composed of a plurality of individual elements which only extend over a relatively small arc angle,
Fig. 11 is a partial perspective view of an induction coil, which according to the representations of FIG. 9 and 10 is constructed, and
Fig. 12 shows a partial side view of two partial coils which are composed of flat coil turns.
In Fig. 1 shows a coking reactor, the walls of which are at least partially made of a heat-resistant lining
10 exist, which is surrounded by a housing 11, which consists for example of sheet steel. The reactor is surrounded by an induction coil 12, which in turn is surrounded by a yoke 13. The induction coil 12 is flowed through by an alternating current coming from a power source (not shown) and serves to keep the bed 14, which consists mainly of coke, in the reactor chamber at a temperature which is necessary for carrying out the process in question.
The in Fig. 1 consists of an upper part 16 which is open towards the bottom and which is supported by supports 15, a rotatable lower part 17 and a stationary base 18. The lower part 17 is connected to the upper part 16 via a water lock 19 and is supported by a plurality of pairs of support and idler rollers 21, 22 which are guided along an annular flange 20. The lower part 17 consists essentially of a cooling jacket 23 through which a coolant can flow and which is surrounded by a toothed ring 24 in order to be able to drive the cooling jacket 23 via a toothed wheel 25 which meshes with the toothed ring 24 and by a drive motor is driven.
Arranged in the interior of the lower part 17 are a plurality of discharge blades 26 which serve to discharge coked material during the rotation of the lower part 17 through an annular space which is delimited by the lower part 17 and the base 18.
The bottom 18 is bowl-shaped and, together with the lower edge of the lower part 17, forms a water lock 27.
The in the reactor according to Fig. 1 coal to be coked is fed to the reactor chamber through openings 28 which lie above the induction coil 12; due to the conveying effect caused by the blades 26, the coal supplied sinks down through the reactor chamber and thereby passes the area of the induction coil 12. In this area, the material is heated to the coking temperature and forms the inductively heated bed 14. The coal fed to the reactor is already coked to a substantial extent before reaching the area surrounding the induction coil 12, specifically u. a. by the convection and radiant heat emanating from the coking bed 14. The heat generated by induction is thus generated in part of the material subjected to the coking process, which is practically completely free of gasifiable components.
Before leaving the reactor, the coke is cooled in the area of the water lock 27 and by the cooling jacket 23.
The coal is fed to the reactor chamber essentially continuously. In the example shown, the
Coal is fed to the reactor chamber through coal feeders, each of which includes a hopper 29, the outlet of which opens into a conduit 30 which in turn leads through opening 28 into the reactor chamber. At the end of the line 30 facing away from the reactor chamber there is a pressure cylinder 31, with which the coal from the funnel
29 is conveyed through line 30 into the reactor chamber.
In Fig. 1, only one coal feeder and an opening 28 for another coal feeder are shown.
The coking reactor is provided with a lower outlet line 32 and an upper outlet line 33, through which the gas formed in the reactor during the coking process can be discharged individually or together.
The lower outlet line 32 starts from a position below the induction coil 12 and is above one
Ring channel 34 and a plurality of openings 35 in connection with the reactor chamber. Above the coil 12, a plurality of lines 37 open into the reactor chamber through openings 36.
Through these lines 37, the coal to be coked can preferably be supplied with liquid hydrocarbons.
Above the bed located in the reactor chamber there are a plurality of burners 38, each of which is assigned a fuel line 39 and a line 40 which serves to supply oxygen-containing gas, for example air. The combustion gases originating from the burners 38 enter the reactor chamber through openings 41. The openings 41 are directed in such a way that the combustion gases introduced produce a vortex movement in the space above the bed. In Fig. 1, only one burner 38 is shown.
In certain circumstances, it may be sufficient to blow only air or another oxygen-containing gas into the reactor overlying bed to burn the gases formed during the coking process.
If only the upper outlet line 33 is used, in which case the outlet line 32 is closed by means of a valve (not shown), the gases formed in the reactor chamber during the coking process flow upward in the reactor chamber and through the outlet line 33. In order to preheat the coal and initiate the coking process, the coke gases formed during the coking process, which flow up through the bed, together with any hydrocarbons fed through the lines 37, are burned more or less completely above the bed by means of the burners 38. The heat content of the gases flowing out through the outlet line 33 is preferably used to generate steam or electrical energy.
If only the lower outlet line 32 is used, in which case the upper outlet line 33 is closed by means of a valve (not shown), the gases formed during the coking process leave the reactor chamber through the openings 35, the annular channel 34 and the lower outlet line 32. It may be advantageous to use burners 38 to create a reducing combustion zone above the bed that provides part of the amount of energy required for the coking process.
The hydrocarbons fed through the lines 37 are cracked as they pass the part of the bed 14 whose temperature is above the cracking temperature of the hydrocarbons, so that carbon is deposited on the coke formed, which considerably improves the quality of the coke.
The gases which leave the reactor chamber through the outlet line 32 and are rich in combustible substances can advantageously be burned and reused to generate electrical energy which is required for induction heating of the actual coking bed 14. In the embodiment according to FIG. 1, the heat content of the gases flowing out through line 32 is recovered in an indirect heat exchanger 42.
However, the gases formed can also be discharged through the two outlet lines 32 and 33 at the same time. In this case, in the reactor chamber above the bed or
an oxidizing combustion advantageously takes place in the reactor charge, thereby ensuring that all the oxidizing gases formed and only a part of the coking gases leave the reactor chamber through the outlet line 33, while a part of the cracking gases which are formed due to the hydrocarbons supplied through the lines 37 pass through the outlet line 32 flow out.
In the case of Fig. 2 reactor, the reference numerals 10 to 14, 32, 35 and 42 have the same meaning as in Fig. 1. With the reactor according to Fig. 2, gaseous substances are reduced and / or carburized by bringing them into contact with the inductively heated coke bed 14, maintaining a temperature in the reactor chamber such that the residues of the coke consumed during the process are melted in the lower part of the reactor be preserved. The molten coke residue 43 is either discharged continuously or, as shown, intermittently through a tap hole 44 and a trough 45. The gaseous medium to be reduced and / or carburized, for example water vapor, is fed through a line 46 after it has been subjected to a heat exchange process in the indirect heat exchanger 42.
The reduced and / or carburized gas leaves the reactor through openings 35 and line 32. The openings 35 rise obliquely upwards from the inside of the chamber to prevent coke from penetrating into the annular channel 34. Coke or possibly coal, the or which is coked during passage through the area of the coil 12 within the reactor chamber is fed to the reactor chamber through a feeder 47 to thereby replace the coke consumed in the bed 14.
If the material fed by the feeder 47 is coal, this coal is coked as it passes through the area surrounded by the induction coil 12, the coking gases after being cracked in the bed 14 together with the reduced and / or carburized gaseous medium leave the reactor chamber through the outlet line 32. If the coal is of low quality, it is advantageous to supply hydrocarbons in such quantities through line 48 and to maintain conditions in the reactor chamber such that the hydrocarbons, after being cracked, are deposited on the newly formed coke, thereby reducing the mechanical strength of the coke is considerably improved.
In Fig. 3 shows a reactor for reducing and melting iron oxide powder. The reference numerals 10 to 14.
37 to 41, 44, 45 and 47 have the same meaning as in FIGS. 1 and 2. The upper part of the reactor is designed as a radiation chamber of a steam boiler adjacent to the reactor. The steam boiler itself is shown in Fig. 3 not shown. The upper part of the reactor chamber is surrounded by a heating jacket 49 through which water or steam flows and which is surrounded by a heat-insulating layer 50.
The material feed line 51 extends from the feed device 47 arranged above the reactor down into the reactor chamber and is double-walled, so that liquid or gaseous coolant can flow around the line 51. The reactor wall below the area surrounded by the induction coil 12 is cooled by means of a coolant 52. A mixture of materials comprising iron oxide, coke or coal to be coked in the reactor chamber and optionally a slag former is fed through line 51 to the top of the bed, which mainly consists of coke. Liquid or gaseous hydrocarbons can be fed through line 37 to the reactor filling, which is preheated by means of the burners 38.
The iron oxide material preheated in this way is pre-reduced and metallized to a certain extent above the coke bed, the iron oxide material being melted together with the slag former in the upper region of the inductively heated zone, whereupon the iron oxide is finally reduced and during the passage through the coke bed 14 at the same time constant consumption of this bed is carbonized. The coke bed 14 which is used up during this process is, however, renewed to a corresponding extent by the quantity of coke or the quantity of coal to be coked which is fed back into the reactor chamber. The molten material is obtained under the bed in the form of a slag layer 53 and a carbon-containing iron layer 54. The iron can be withdrawn intermittently through tap hole 44 and trough 45.
The slag is preferably continuously withdrawn through the tap hole 55 and over the groove 56 or slagged.
For this purpose, the tap hole 55 is assigned an adjustable plug 57, which is adjustable by means of a drive device (not shown) and is actuated in such a way that the boundary layer between the bed 14 and the slag layer 53 is kept at a certain level within the reactor chamber. The gas containing carbon monoxide, which is formed during the reduction process, and also the residue of the hydrocarbons fed through line 37 and possibly also coke gases are burned over the reactor charge by means of burners 38.
The in Fig. The reactor shown in FIG. 3 can advantageously also be used for the final reduction and for melting pre-reduced iron oxide, for example sponge iron. The reactor according to Fig. 3 can also be used to reduce and optionally carbonize or carburize other materials containing solid metal oxides, for example to treat molten calcium carbide, calcium oxide and carbonaceous material supplied through line 51.
In the Fig. 4, the reference numerals 10 to 14, 28 to 31, 44, 45, 52 to 57 have the same meaning as in FIGS. 1 to 3. Fig. 4 shows a reactor for melting large-scale materials, which can be wholly or partly metallic and in particular metal scrap, such as lathe chips and the like. the like . can include. The scrap is fed to the inductively heated coke bed 14 through the charging device 30, 31 together with coke or coal and optionally with a slag former. The scrap is melted above bed 14 and in bed 14 both by induction heating and as a result of contact with the coke bed, so that melted coke ash and slag together with the melted and optionally processed scrap material under bed 14 as a slag layer 53 or Iron layer 54 can be obtained.
If coal is fed to the reactor chamber, care must be taken to ensure that the coal has been coked at least to a substantial extent before it reaches bed 14. If desired, liquid or gaseous hydrocarbons can be added to the reactor charge and the material can be preheated in the reactor chamber by combustible materials in the in connection with the Fig. 1 to 3 described way are burned. The boundary layer between the slag layer 53 and the coke bed 14 is kept at the desired level by controlled slag removal through the tap hole 55.
In Fig. 5, the reference numerals 10, 12 to 14, 44, 45, 47, 49 to 52 and 55 to 57 have the same meaning as in FIGS. 1 to 3. Fig. 5 shows a reactor for the recovery of at least one relatively volatile metal or a volatile metal compound and a relatively low volatile metal from, for example, slag melt. A coke bed 14 is created in the area of the induction coil 12 within the reactor, to which the slag melt is fed continuously or intermittently. According to Fig. 5, the slag melt is poured from a ladle 59 into a channel 60, from which the melt is distributed on the top of the bed 14 by a plurality of distribution lines 61 projecting into the reactor wall.
The bed is kept at a temperature such that the volatile metal or the volatile metal compound, for example zinc and / or lead in oxidic or sulfidic form, is evaporated and leaves the reactor chamber, optionally after a combustion process has taken place with an oxygen-containing gas, for example air, which has been supplied through lines 62. The slag residue flows down through the coke bed 14 in which the low volatility metal oxides, such as iron oxide, are reduced and carbonized in contact with the bed, the bed being consumed at the same time. The material consumed within the bed is replaced as necessary by supplying fresh bed material through line 51, preferably together with a suitable slag generator.
The reduced metal is obtained in the form of a lower melt layer 63 at the bottom of the reactor, while the residue of the added and formed slag collects above the melt layer 63 in the form of a slag layer 64. The boundary layer between the slag layer 64 and the coke bed 14 is maintained at the desired level by continuously or intermittently withdrawing slag from the slag layer 64.
In Fig. FIG. 6 shows part of a reactor wall which comprises a ceramic lining 10 and a sheet steel jacket 11. The induction coil surrounding the liner 10 consists of tubes which can be cooled with a coolant flowing through the tubes. The coil 12 is partially embedded in a ceramic filling compound 65. Both the lining 10 and the filling compound 65 are gas-permeable to a certain extent.
In order to prevent solid, liquid or gaseous material from flowing out of the reactor chamber through the reactor wall opposite the coil 12 to the coil 12, an overpressure is built up outside the reactor in the region of the reactor wall which is surrounded by the coil 12 is the highest pressure that can be expected in the assigned zone of the reactor chamber. The excess pressure is built up by means of a gas which is electrically non-conductive in order to prevent electrical conduction between the individual turns of the induction coil 12. An annular pressure chamber is preferably formed around the induction coil 12 by means of a housing 67, to which compressed gas, for example air or an essentially inert gas, is fed through a line 66. The pressure space formed by means of the housing 67 is sealed off from the surrounding atmosphere.
Fig. 7 shows part of a reactor wall, which comprises a lining 10, a filling compound 65 and an induction coil 12. The sections between adjacent turns of the coil are filled with a sealing material 68, which is preferably an insulating material, from the atmosphere surrounding the reactor. A plurality of openings 69 are arranged in the insulating material 68, through which compressed gas can be supplied in the direction of the arrows to the sections of the reactor wall 10, 65 which are located in the region of the induction coil 12.
The in Fig. 8 reactor wall shown corresponds in principle to the arrangement according to FIG. 7. A part of the reactor wall consisting of a lining 10 and a filling compound 65 is surrounded by a spirally wound induction coil 12. The sealing or Isolation between adjacent coil turns is carried out by means of a likewise spirally wound hose 70 or. the like made of elastomeric material. In order to obtain relatively small and thus more effective sealing surfaces between the hose 70 and the induction coil 12, lines 71 are welded to the induction coil, which have a small diameter. The hose 70 also serves to supply compressed gas to the reactor wall 10, 65.
For this purpose, the hose 70 is connected to a (not shown) compressed gas source and has gas outlet openings 72 which are directed towards the reactor wall.
In Fig. 9 shows part of a reactor wall which comprises a lining 10 and a filling compound 65 and is surrounded by an induction coil 12. Each coil turn has a trapezoidal cross section and is provided at the top and bottom with outwardly projecting flange sections 73. Between the adjacent flange sections 73 of successive coil turns there are sealing inserts 74 made of elastomeric material, which are provided with openings 75 through which a compressed gas can be supplied to the filling compound 65. The sealing inserts 74 are provided with a plurality of such openings 75 along their length. The compressed gas is fed to the openings 75 through distributor lines 76, which lead to a main line 77, which serves to supply a plurality of distributor lines 76.
In Fig. FIG. 10 shows how each coil turn of a coil 12 can be composed of a plurality of individual elements 78a to 78d, which each lie in one and the same plane and each of which extends over an arc of less than 1800. The lines 79 lying between the elements 78a to 78d serve to guide a coolant and, if appropriate, also to conduct current between adjacent elements 78a to 78d. Sealing elements 80 are arranged between the individual elements.
Fig. 11 shows on an enlarged scale the connection point between adjacent individual elements 78a and 78b, which essentially correspond to that in FIG. 9 have the shape shown. The flange portions 73 of one element 78a stop shortly before the end of this element, while the other element 78b is provided with a flange 81 which projects over the element 78a. The sealing between adjacent elements 78a, 78b takes place by means of a seal 82 which is clamped between the inside of the flange 81 and the outside of the element 78a; this seal 82 enables a relative movement in the longitudinal direction between the elements 78a, 78b.
In Fig. 12 shows a coil arrangement which is composed of two partial coils, each partial coil having three coil turns 83 to 85 and 86 to 88. Each coil turn is arranged in one and the same plane and can in the in Fig. 10 be shown divided into individual elements. Seals 89 lie between the opposite ends of each coil turn and between adjacent coil turns. The current is the partial coils 83 to 85 or 86 to 88 fed through lines 90. The current is tapped from lines 90 via contacts 91 to 94; the current flow between adjacent coil turns of each sub-coil takes place via contacts 95 and 98. According to Fig. 12, the partial coils 83 to 85 and 86 to 88 have different turns or
In principle, winding directions and adjacent ends of the partial coils are connected to the same point in the power supply system, as a result of which the voltage between the coil turns 85 and 86 is always zero.
The advantages of the method according to the invention are described in more detail with the aid of the following examples.
example 1
A coke bed with a diameter of 7 m and a height of about 5 m was placed in a reactor according to FIG. 1 kept at a temperature above 1000 "C. Coke was continuously discharged from the bottom area of the coke bed at a rate of approximately 74.5 t per 24 h, the bed filling being continuously renewed or was filled by adding coal to the top of the bed. The coal, the 29 Gew. % volatile components, based on the combustible substance, and 12 wt. % Ash contained, was fed at a rate of about 100 t each 24 h and coked in the reactor with the emission of gases.
The coke bed was supplied with an induction coil, which surrounded the reactor in the area of the coke bed having a diameter of 7.5 m and a height of 4.5 m, an amount of energy of 110 MWh per 24 h at a frequency of 100 Hz. This amount of energy was sufficient to maintain the required bed temperature and to coke the coal. The gas obtained in an amount of about 60,000 Nm3 per 24 h essentially consisted of hydrogen and hydrocarbons.
Example 2
A gas consisting essentially of 20 vol. % CO2, remainder CO and H2, was continuously in an amount of 220,000 Nm3 per 24 h by a in Fig. 2 shown reactor sent, which had an electro-inductively heated coke bed of the type shown in Example 1. The gas fed to the reactor was preheated to a temperature of about 800 ° C. The reduced gas flowing through the bed and leaving the reactor consisted of CO, H2 and hydrocarbons, the amount of gas being about 283,000 Nm3 per 24 h. The coke bed was fed with the induction coil described in Example 1 electro-inductively at a frequency of 100 Hz, an amount of energy of 100 MWh per 24 h.
In order to replace the used coke, coal of the type described in Example 1 was fed to the top of the coke bed in an amount of about 35 tons per 24 hours, during which time about 4 tons of ash were removed from the reactor.
Example 3
An electro-inductively heated coke bed of the type described in Example 1, which is in a reactor of the type shown in FIG. 3 shown type and was kept at a temperature of about 1500 C, pre-reduced iron oxide, which had a composition approximately according to FeO, was continuously fed in an amount of 72 t per 24 h, together with 19 t per 24 h of coal of the type described in Example 1. Molten metal (pig iron) in an amount of 55 tons per 24 hours was drawn off from the bottom of the reactor together with a molten slag in an amount of 6 tons per 24 hours, the molten metal having a carbon content of about 4% by weight. % would have.
Gas of an amount of about 30,000 Nm 3 was withdrawn from the top of the reactor every 24 hours, the gas essentially containing hydrocarbons and carbon monoxide. In order to maintain the required bed temperature and to carry out the reduction, 90 MWh per 24 h at a frequency of 100 Hz were fed to the coke bed by means of an induction coil of the type described in Example 1.
Example 4
Iron oxide material was reduced in the manner described in Example 3, with oil being burned in an amount of 20 tons per 24 hours in the reactor above the bed. The electrical energy consumption was reduced to 70 MWh per 24 h, whereby the production speed for the molten hot metal remained the same; the amount of gas discharged from the reactor simultaneously increased to 215,000 Nm3 per 24 h, the gas consisting mainly of CO2 and H2O.
Example 5
An electroinductively heated coke bed of the type described in Example 1, which is in a reactor according to FIG. 4 was found and kept at a temperature of about 1500 C, scrap iron was fed, the 90 Gew. % contained metallic iron. The iron scrap was fed essentially continuously in an amount of 200 tons per 24 hours together with 7 tons per 24 hours of coal of the type described in Example 1. Molten hot metal (pig iron) was drawn off from the bottom of the reactor in an amount of 195 tons per 24 hours and also a quantity of slag of about 0.5 tons per 24 hours. Gas was withdrawn from the top of the reactor in an amount of about 15,000 Nm 3 per 24 hours, this gas essentially containing carbon monoxide, hydrogen and hydrocarbons.
The energy consumption to maintain the necessary bed temperature and to melt the scrap and to reduce the oxidized portions was 96 MWh per 24 h; this amount of energy was fed to the coke bed with an induction coil of the type described in Example 1 at a frequency of 100 Hz.
Example 6
An electro-inductively heated coke bed according to Example 1, which is in a reactor according to Fig. 5 and was kept at a temperature of about 1500 C, was melted fayalite slag, the temperature of 1450 C and an iron content of about 50 wt. %, was continuously supplied in an amount of about 20 t per 24 h, together with a lime amount of about 90 t per 24 h and an amount of about 25 t per 24 h of a coal of the type described in Example 1. Molten hot metal (pig iron) was withdrawn from the bottom of the reactor in an amount of 97 tons per 24 hours, together with a molten slag in an amount of 120 tons per 24 hours; the composition corresponded essentially to the composition of wollastonite.
A quantity of 64,000 Nm3 of gas, which consisted essentially of CO2, CO and H2, was drawn off from the top of the reactor in a quantity of 24 h. The energy consumption for maintaining the bed temperature and for carrying out the reactions was 130 MWh per 24 h; the amount of energy was fed to the coke bed at a frequency of 100 Hz by means of an induction coil of the type described in Example 1.
Example 7
An electroinductively heated coke bed according to Example 1, which is in a reactor shown in Fig. 5 described type and was kept at a temperature of about 1500 C, slag was fed at a temperature of 12500 C; the slag came from an electrical copper ore melting process and contained 10 wt. % Zn, 2 wt. % Pb, 43 wt. % FeG, balance SiO2. The slag was fed continuously in an amount of 150 t per 24 h, together with an amount of coal (coal according to Example 1) of 22 t per 24 h and a lime amount of about 110 t per 24 h.
From the bottom of the reactor an amount of about 110 tons per 24 h of a molten iron, which has a low carbon content and a silicon content between 2 to 6 wt. %, deducted, namely together with a quantity of slag of about 75 t per 24 h, the slag having a composition which corresponded to the composition of wollastonite. A gas volume of approximately 54,000 Nm3 per 24 h was formed in the coke bed. Before this gas, which in addition to H2, CO and CO2 contained 13 t Zn and 3 t Pb in vapor form, was withdrawn from the reactor, air was added to oxidize the Zn and Pb content. The metal oxides thus obtained were separated from the remaining gas in the form of a fine dust in a steam boiler and a gas cleaning system.