Diese Erfindung betrifft die Vorrichtung und das Verfahren für die thermische und thermochemische Behandlung von metallhaltigen und/oder kohlenstoffhaltigen Materialien zur Gewinnung von Metallen und/oder zur Produktion von Synthesegas und/oder zur Entgiftung und/oder Verglasung mittels endothermer Prozesse bei hoher Temperatur unter Nutzung von Strahlungsenergie einer externen Quelle als Prozesswärme.
In thermischen Hochtemperaturprozessen werden heute Drehrohröfen breit angewandt. Charakteristisch ist dabei, dass die Prozesswärme indirekt durch die Ofenwand zugeführt wird, oder im Ofen selbst durch interne Verbrennnung von Brennstoffen erzeugt wird.
Bei der vorliegenden Erfindung, wie im Folgenden dargestellt, enthält der Ofen ein transparentes Fenster, durch welches das Rohmaterial direkt von einer externen, konzentrierten Strahlungsquelle, vorzugsweise Solarenergie, bei kontrollierter Atmosphäre erwärmt wird, um die notwendige Prozesswärme zuzuführen. Dabei wird das Rohmaterial durch die Rotation der Ofeninnenwand von dabei hervorgerufenen Zentrifugalkräften an der Innenwand gehalten. Dies führt dazu, dass die Innenwand vor thermischer Belastung geschützt wird und durch die Form als Kavität einen effizienten Wärmeübergang auf das Rohmaterial erlaubt.
Ein Beispiel eines Verfahrens, um diese Vorrichtung zu betreiben ist die thermische Reduktion von Zinkoxid zur Produktion von Zink. Metallisches Zink ist ein vielfältig verwendbares Material. Zink eignet sich jedoch auch als fester Brennstoff, da seine Handhabung an Luft problemlos ist. Zink ist ein Metall, mit welchem einerseits in Zn/Luft-Batterien oder in Brennstoffzellen direkt Strom erzeugt werden kann; anderseits reagiert Zink mit Wasser und kann in einem Wasserspaltungs-Reaktor hochreinen Wasserstoff produzieren, wobei der Wasserstoff weiter in Wärme und Elektrizität umgewandelt werden kann. Das chemische Produkt dieser beiden stromerzeugenden Prozesse ist Zinkoxid, welches wieder reduziert und rezykliert werden muss.
Konventionell wird Zink durch carbothermische oder elektrolytische Reduktion von Zinkoxid gewonnen; es handelt sich dabei um energieintensive Prozesse, die bei hohen Temperaturen ablaufen und grosse Mengen an Treibhausgasen in die Atmosphäre freisetzen. Diese Emissionen können signifikant reduziert werden, wenn eine saubere Energiequelle, zum Beispiel konzentrierte Solarenergie, als Energiequelle für die Hochtemperatur-Prozesswärme benutzt wird. Auf diese Weise kann Sonnenstrahlung, die unregelmässig in spärlich bewohnten Wüstengegenden anfällt, durch thermochemische Transformation effizient in speicherbare und transportable chemische Brennstoffe umgewandelt werden.
Ein alternativ mögliches Verfahren, um diese Vorrichtung zu betreiben, besteht in der thermochemischen Behandlung von metallhaltigen und/oder kohlenstoffhaltigen Materialien. Feste Sonderabfälle, wie zum Beispiel Verbrennungsrückstände, verbrauchte Batterien, kontaminierte Schrottteile, verseuchte Böden, Filterstäube, metallhaltige Klärschlämme sowie andere Abfallprodukte enthalten toxische Bestandteile, die nicht in die Umgebung entsorgt werden dürfen. Sie werden üblicherweise in einer auslaugbeständigen Schlacke vitrifiziert und dann in Sondermülldeponien gelagert. Beschränkter Lagerraum, steigende Lagerkosten und strenge Umweltvorschriften erfordern jedoch dringend notwendig Technologien, die diese giftigen Materialien in nützliche Stoffe rezyklieren, anstatt sie für eine unbestimmte Zeit zu deponieren.
Die chemische Umwandlung dieser Materialien in elementare Komponenten bietet die Möglichkeit, Abfall in wertvolle Rohstoffe zum Beispiel für Prozesse in geschlossenen Stoffkreisläufen umzuwandeln. Thermische Prozesse eignen sich bestens für die Behandlung von komplexen, festen Sonderabfällen. Abfallmaterialien, die Kohlenstoffverbindungen enthalten, können durch thermische Pyrolyse und Vergasung in Synthesegas und Kohlenwasserstoffe umgewandelt werden, aus denen wiederum Wasserstoff, Ammoniak, Methanol und andere wertvolle synthetische Chemikalien gewonnen werden können. Abfallmaterialien, die Metallverbindungen enthalten, können durch karbothermische Reduktion in Metalle, Metallnitride und Metallkarbide umgewandelt werden, welche wiederum zu flüssigen Brennstoffen wie Wasserstoff und Kohlenwasserstoffe verarbeitet werden können.
Auf diese Weise können chemische Produkte hergestellt werden, die als Grundlage für verschiedene Herstellungsprozesse oder als Brennstoffe in der Verbrennung/ Brennstoffzellen dienen. Das Rezyklieren erfordert energieintensive Prozesse bei hohen Temperaturen. Es besteht jedoch die zwingende Notwendigkeit, saubere Technologien für die nachhaltige Behandlung und Rezyklierung von Abfallmaterialien zu entwickeln, wobei keine unerwünschten Nebenprodukte entstehen dürfen. Die üblichen Rezyklierungstechniken mittels Hoch-, Induktions-, Lichtbogen- und Plasmaöfen weisen einen hohen Energieverbrauch und starke Umweltverschmutzung auf.
Im Besonderen sind Prozesse zur Metallgewinnung aus Metalloxiden grosse Verbraucher von Hochtemperaturwärme und tragen deshalb hauptsächlich zum Ausstoss von CO2 und anderen Schadstoffen bei, welche bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe für die Wärme- und Stromproduktion entstehen. Der Brennstoffverbrauch könnte in hohem Masse verringert werden, wenn fossile Brennstoffe ausschliesslich zur chemischen Reduktion verwendet würden und die Prozesswärme von einer sauberen Quelle geliefert würde, z.B. Solar-energie. Konzentrierte Solarstrahlung kann thermische Energie über 2000 K liefern, um solche endotherme Prozesse zu betreiben. Die Vorteile sind:
- Der Ausstoss von Treibhausgasen und Schadstoffen, die bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe für die Wärme- und Energieproduktion entstehen, wird weit gehend vermieden.
- Die chemischen Produkte sind sauberere und höherwertigere Brennstoffe als zu Beginn, weil das Zuführen von Strahlungsenergie, z.B. konzentrierte Solarstrahlung, ihren Energiegehalt vergrössert.
Die Verwendung solarer Wärme für das Rezyklieren von Abfall wird ferner mit thermodynamischen Argumenten gerechtfertigt. Der Gebrauch solarer Energie bei hohen Temperaturen macht es möglich, hohe Wirkungsgrade für die Energieumwandlung zu erreichen. Hohe Wirkungsgrade haben einen direkten Bezug zur Senkung der notwendigen Heliostatenfläche und ihrer Kosten. Unter der Annahme, dass die negativen Kosten für die Rohmaterialien, die vermiedenen Deponierungskosten und die externen Umweltkosten bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe (wie z.B. Kosten für die Verminderung des CO2-Ausstosses und der Schadstoffe) berücksichtigt werden, hat die Rezyklierung von Abfallmaterialien mit solarthermischer Technologie langfristig positive wirtschaftliche Aussichten.
Eine bevorzugte beispielsweise Ausführungsvariante einer derartigen Vorrichtung wird nun im Nachfolgenden anhand eines ausgeführten Beispieles und unter Bezug auf die beigefügte Figur näher erläutert. Ebenfalls soll anhand dieser Figur ein Beispiel einer erfindungsgemässen Behandlung des entsprechenden Rohmateriales beschrieben werden.
Dabei zeigt:
Fig. 1: Im Längsschnitt eine bevorzugte Ausführungsvariante eines Ofens zur thermischen und thermochemischen Behandlung von metallhaltigen oder kohlenstoffhaltigen Materialien unter Nutzung von externer Strahlungswärme, vorzugsweise Sonnenenergie.
Der in Fig. 1 im Längsschnitt dargestellte Ofen besteht aus einem transparenten Fenster (1), durch das konzentrierte Strahlungsenergie über einen Sekundärkonzentrator (2) in eine innere, aus einem hitzebeständigen Material hergestellten, drehbare Kammer (3) fokussiert wird, und einer zweiten, geschlossenen Hülle (4), die diesen Innenraum hermetisch abschliesst. Die innere Kammer ist an ihrer hinteren Seite an einer hohlen Welle (5) gelagert und kann mit einem Kettenantrieb (6) in Rotation versetzt werden. Die Zuführung der Rohmaterialien erfolgt kontinuierlich mit einem Schneckenförderer (7) durch die Hohlwelle der inneren Kammer. Die Drehzahl der inneren Kammer wird so gross gewählt, dass die Rohmaterialien (8) durch die hervorgerufenen Zentrifugalkräfte an die Wandung gedrückt werden und mitrotieren.
Das Rohmaterial ist so direkt der externen Strahlungsquelle ausgesetzt, was einen effizienten Wärmeübergang erlaubt. Die absorbierte Energie wird genutzt, um das Rohmaterial auf die notwendige Temperatur aufzuheizen und um die Prozesswärme zu liefern. Dabei dient das Rohmaterial für den Prozess auch als Isolationsmaterial und schützt so die Wand der inneren Kammer vor thermischer Beanspruchung. Die Hohlwelle und die Wälzlager (9) der inneren Kammer werden aktiv (10) gekühlt. Die Durchführung der Hohlwelle durch den hinteren Dichtungsflansch (11) ist als Labyrinthdichtung (12) ausgeführt, wobei ein Sperrgas das Eindringen von Umgebungsluft verhindert und die Hohlwelle an dieser Stelle kühlt. Ein Auslasskanal (13) verbindet den Innenraum des Ofens mit einer Quenchvorrichtung (14), in der die gasförmigen Produkte rasch abgekühlt und gesammelt werden können.
Zwei Infrarotsensoren (15) erlauben eine Überwachung der Wandtemperatur der rotierenden Kammer. Der Sekundärkonzentrator sowie alle Dichtflansche sind aktiv gekühlt (16). Regelbare Gasströme (17) zwischen der inneren Kammer und der äusseren Hülle, am Ausgang des Sekundärkonzentrators und im Bereich des transparenten Fensters sowie verschiedene Temperaturmessstellen erlauben die Überwachung und Kontrolle des Prozesses.
Zum Betrieb eines solchen Ofens und der oben beschriebenen Prozesse ist ausserdem eine Konzentratoreinrichtung zum Konzentrieren von Strahlungsenergie vorgesehen, wie beispielsweise von Sonnenenergie, welche so in Bezug auf den Ofen anzuordnen ist, dass die konzentrierte Strahlung durch das transparente Fenster in die rotierende Kammer fokussiert werden kann.
This invention relates to the device and the method for the thermal and thermochemical treatment of metal-containing and / or carbon-containing materials for the extraction of metals and / or for the production of synthesis gas and / or for detoxification and / or glazing by means of endothermic processes at high temperature using Radiant energy from an external source as process heat.
Today, rotary kilns are widely used in thermal high-temperature processes. It is characteristic that the process heat is supplied indirectly through the furnace wall, or is generated in the furnace itself by internal combustion of fuels.
In the present invention, as shown below, the furnace contains a transparent window through which the raw material is heated directly from an external, concentrated radiation source, preferably solar energy, in a controlled atmosphere in order to supply the necessary process heat. The raw material is held on the inner wall by the centrifugal forces caused by the rotation of the inner wall of the furnace. This means that the inner wall is protected from thermal stress and, thanks to its shape as a cavity, allows efficient heat transfer to the raw material.
An example of a method to operate this device is the thermal reduction of zinc oxide to produce zinc. Metallic zinc is a versatile material. However, zinc is also suitable as a solid fuel because it is easy to handle in air. Zinc is a metal with which electricity can be generated directly in Zn / air batteries or in fuel cells; on the other hand, zinc reacts with water and can produce high-purity hydrogen in a water splitting reactor, whereby the hydrogen can be further converted into heat and electricity. The chemical product of these two electricity-generating processes is zinc oxide, which has to be reduced and recycled again.
Conventionally, zinc is obtained by carbothermal or electrolytic reduction of zinc oxide; These are energy-intensive processes that take place at high temperatures and release large amounts of greenhouse gases into the atmosphere. These emissions can be significantly reduced if a clean energy source, for example concentrated solar energy, is used as the energy source for the high-temperature process heat. In this way, solar radiation, which occurs irregularly in sparsely populated desert areas, can be efficiently converted into storable and transportable chemical fuels by thermochemical transformation.
An alternative possible method for operating this device is the thermochemical treatment of metal-containing and / or carbon-containing materials. Solid special waste, such as combustion residues, used batteries, contaminated scrap parts, contaminated soils, filter dust, metal-containing sewage sludge and other waste products contain toxic components that must not be disposed of in the surroundings. They are usually vitrified in a leach-resistant slag and then stored in special waste landfills. However, limited storage space, rising storage costs and strict environmental regulations urgently require technologies that recycle these toxic materials into useful substances instead of storing them indefinitely.
The chemical conversion of these materials into elementary components offers the possibility of converting waste into valuable raw materials, for example for processes in closed material cycles. Thermal processes are ideal for the treatment of complex, solid special waste. Waste materials containing carbon compounds can be converted into synthesis gas and hydrocarbons by thermal pyrolysis and gasification, from which in turn hydrogen, ammonia, methanol and other valuable synthetic chemicals can be obtained. Waste materials containing metal compounds can be converted to metals, metal nitrides and metal carbides by carbothermal reduction, which in turn can be processed into liquid fuels such as hydrogen and hydrocarbons.
In this way, chemical products can be manufactured that serve as the basis for various manufacturing processes or as fuels in combustion / fuel cells. Recycling requires energy-intensive processes at high temperatures. However, there is an imperative to develop clean technologies for the sustainable treatment and recycling of waste materials, with no undesirable by-products. The usual recycling techniques using blast furnaces, induction furnaces, arc furnaces and plasma furnaces have a high energy consumption and high pollution.
In particular, processes for extracting metal from metal oxides are large consumers of high-temperature heat and therefore mainly contribute to the emission of CO2 and other pollutants that arise from the combustion of fossil fuels for heat and electricity production. Fuel consumption could be greatly reduced if fossil fuels were used exclusively for chemical reduction and the process heat was supplied from a clean source, e.g. Solar power. Concentrated solar radiation can supply thermal energy above 2000 K in order to operate such endothermic processes. The advantages are:
- The emission of greenhouse gases and pollutants that arise from the combustion of fossil fuels for heat and energy production is largely avoided.
- The chemical products are cleaner and higher quality fuels than at the beginning because the addition of radiation energy, e.g. concentrated solar radiation, its energy content increases.
The use of solar heat for recycling waste is also justified with thermodynamic arguments. The use of solar energy at high temperatures makes it possible to achieve high levels of efficiency for energy conversion. High efficiencies are directly related to reducing the necessary heliostat area and its costs. Assuming that the negative costs of raw materials, the avoided landfill costs and the external environmental costs of burning fossil fuels (such as costs for the reduction of CO2 emissions and pollutants) are taken into account, the recycling of waste materials with solar thermal technology long-term positive economic prospects.
A preferred exemplary embodiment variant of such a device will now be explained in more detail below with reference to an example and with reference to the attached figure. An example of a treatment according to the invention of the corresponding raw material is also to be described with reference to this figure.
It shows:
Fig. 1: In longitudinal section a preferred embodiment of a furnace for the thermal and thermochemical treatment of metal-containing or carbon-containing materials using external radiant heat, preferably solar energy.
The furnace shown in longitudinal section in Fig. 1 consists of a transparent window (1) through which concentrated radiation energy is focused via a secondary concentrator (2) into an inner, rotatable chamber (3) made of a heat-resistant material, and a second, closed shell (4) that hermetically seals this interior. The inner chamber is mounted on a hollow shaft (5) on its rear side and can be rotated with a chain drive (6). The raw materials are fed continuously with a screw conveyor (7) through the hollow shaft of the inner chamber. The speed of the inner chamber is chosen so high that the raw materials (8) are pressed against the wall by the centrifugal forces and rotate with it.
The raw material is directly exposed to the external radiation source, which enables efficient heat transfer. The absorbed energy is used to heat the raw material to the necessary temperature and to supply the process heat. The raw material for the process also serves as insulation material and thus protects the wall of the inner chamber from thermal stress. The hollow shaft and the roller bearings (9) of the inner chamber are actively cooled (10). The passage of the hollow shaft through the rear sealing flange (11) is designed as a labyrinth seal (12), a sealing gas preventing the ingress of ambient air and cooling the hollow shaft at this point. An outlet duct (13) connects the interior of the furnace with a quench device (14) in which the gaseous products can be quickly cooled and collected.
Two infrared sensors (15) allow the wall temperature of the rotating chamber to be monitored. The secondary concentrator and all sealing flanges are actively cooled (16). Controllable gas flows (17) between the inner chamber and the outer shell, at the outlet of the secondary concentrator and in the area of the transparent window, as well as various temperature measuring points allow the process to be monitored and controlled.
To operate such a furnace and the processes described above, a concentrator device is also provided for concentrating radiation energy, such as solar energy, which is to be arranged in relation to the furnace in such a way that the concentrated radiation can be focused through the transparent window into the rotating chamber ,