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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Umsetzung
und Verwertung von Metallpartikel enthaltenden Hüttenreststoffen und auf die
Verwendung von solchen Hüttenreststoffen,
die in der metallerzeugenden bzw. metallverarbeitenden Industrie
anfallen.
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In
Stahl- und anderen Metallwerken fallen große Mengen an Prozess- oder
Hüttenstäuben (z.
B. in Form von Metallstaub oder Stahlwerkstaub) an, die üblicherweise
in einem ersten Schritt so aufbereitet werden, dass sie transportfähig sind.
Diese Stäube
werden im Folgenden als Hüttenreststoffe
bezeichnet.
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Die
Transportfähigkeit
wird durch das chemische Reaktionspotenzial gekennzeichnet. Für eine sichere
Transportierbarkeit sollte dieses Reaktionspotential möglichst
gering sein.
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Hüttenreststoffe
umfassen einen großen
Anteil elementarer, respektive nicht-oxidierter Metalle, wie zum
Beispiel Eisen.
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Es
stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren sowie eine entsprechende
Verwendung zu schaffen, die dazu geeignet sind Energie oder einen
Energieträger
aus diesen Hüttenreststoffen
zu gewinnen.
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Ausserdem
soll dieser Vorgang möglichst
kostengünstig,
einfach und sicher sein.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß Erfindung
wird ein Verfahren bereit gestellt, das sich durch die Merkmale
des Hauptanspruchs auszeichnet. Gemäß diesem Verfahren werden Hüttenreststoffe
in einen Reaktionsbereich eingebracht und mit Wasser in flüssiger oder
dampfförmiger
Form versetzt. Außerdem
wird gemäß Erfindung
dafür gesorgt, dass
die Hüttenreststoffe
eine Mindesttemperatur aufweisen. Entweder werden die Hüttenreststoffe
zu diesem Zweck erwärmt
(z. B. mit Heizmitteln, oder durch wärmeerzeugende oder wärmeabgebende
Zusatzstoffe, die im Hüttenreststoff
vorhanden sind, oder durch die bewusste Zugabe wärmeerzeugender oder wärmeabgebender
Zusatzstoffe), oder die Hüttenreststoffe
befinden sich bereits beim Einbringen auf einem entsprechenden Temperaturniveau,
da sie zum Beispiel aus einem Stahlwerk entnommen und in den Reaktionsbereich übergeben
wurden.
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Unter
diesen Bedingungen wird dann in dem Reaktionsbereich Wasserstoffgas
freigesetzt. Das wasserstoffhaltige Gas wird aus dem Reaktionsbereich
entnommen. In diesem Zusammenhang findet eine Oxidation der Metallanteile
des Hüttenreststoffs
statt und der Hüttenreststoff
samt den oxidierten Metallanteilen wird abschließend aus dem Reaktionsbereich
entnommen.
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Vorzugsweise
werden durch das Vorgeben von Inertbedingungen explosionsgeschützte Bedingungen im
Reaktionsbereich sichergestellt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
werden Inertbedingungen sichergestellt indem z. B. Zündquellen
vermieden oder entfernt werden.
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In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
werden zusätzlich
oder alternativ zu dem Vermeiden von Zündquellen dadurch Inertbedingungen
vorgegeben, dass vor dem Einbringen von Wasser (in Flüssig- oder
Dampfform) ein Inertgas (vorzugsweise Stickstoff) eingeleitet wird,
um den Reaktor zu „spülen”.
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In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
wird vorab eine Grundinertisierung vorgenommen, bevor dann der Prozess
unter Überdruck
ausgeführt
wird. Durch das Vorgeben von Bedingungen, die den Aufbau eines Überdrucks
ermöglichen,
stellen sich Inertbedingungen ein, da zum einen permanent Wasserdampf
entsteht und zum anderen eine Einkondensation von Luft vermieden wird.
Dadurch wird der Sauerstoffanteil im Inneren des Reaktors stets
in einem Bereich gehalten, der im nichtexplosiven Bereich des Wasserstoff-Sauerstoff
Gasgemisches liegt. Dieser Ansatz wird auch als selbstinertisierend
bezeichnet. Vorzugsweise beträgt der
Sauerstoffanteil des Wasserstoff-Sauerstoff Gasgemisches weniger
als 4%, und vorzugsweise weniger als 2% und besonders bevorzugt
weniger als 1%.
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Die
Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass aus (Hütten-)Reststoffen der metallerzeugenden
bzw. -verarbeitenden Industrie Wasserstoffgas erzeugt werden kann.
Diese Form der Wasserstofferzeugung lässt sich besonders vorteilhaft
mit anderen Prozessen – insbesondere
Agglomerationsprozessen – verbinden
und kann dadurch eventuell nochmals effizienter und günstiger
werden.
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Weiterhin
wird in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Zusatzstoff
CaO als wärmeerzeugender
Zusatzstoff und als Bindemittel dem Prozess hinzugeben, oder dieser
Zusatzstoff ist bereits im Staub vorhanden, um die Temperaturführung des
Prozesses effektiv und einfach beeinflussen zu können.
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Es
ist ein Vorteil des Einsetzens von vorhandenem CaO, oder des Zusetzens
von CaO, dass dieser Zusatzstoff einerseits beim Vermengen mit Wasser
Wärme abgibt,
die eine Beschleunigung der Umsetzung zu Wasserstoff bewirkt, und
dass dieser Zusatzstoff andererseits eine gewisse bindende oder
haftbildende Wirkung auf die Hüttenreststoffe
hat. Durch diese Wirkung können
die Hüttenreststoffe
z. B. in einem nachfolgenden, optionalen Schritt agglomeriert werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Gegenstände der
abhängigen
Ansprüche.
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ZEICHNUNGEN
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer ersten erfindungsgemässen Vorrichtung;
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2 eine
schematische Darstellung einer zweiten erfindungsgemässen Vorrichtung.
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Detaillierte Beschreibung
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Gemäß Erfindung
werden Hüttenreststoffe,
die Metallstaub, Metallpulver, Bröckelmetalle oder anderen partikelförmige Metalle
enthalten, einem neuartigen Umsetzungsprozess unterzogen. Der Einfachheit
halber werden diese Ausgangsmaterialien hier gesamthaft als Hüttenreststoffe
bezeichnet. Vorzugsweise beinhalten die Hüttenreststoffe Eisenpartikel
in Form von Eisenfeinstaub, Eisengrobstaub, Feineisen, Bröckeleisen und
Partikel anderer unedler Metalle. Als unedle Metalle werden im vorliegenden
Zusammenhang Metalle bezeichnet, die bei Normalbedingungen mit dem
Sauerstoff aus der Luft reagieren, respektive oxidieren. Der Metallanteil
der Hüttenreststoffe
wird hier mit Me bezeichnet.
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Vorzugsweise
umfassen die Hüttenreststoffe
gemäss
Erfindung metallische Fein- und/oder Grobstäube mit einer sehr grossen
spezifischen Oberfläche.
Eine besonders schnelle und effiziente Umsetzung zu Wasserstoff
ergibt sich bei Hüttenreststoffen,
deren Metallstaubanteil den in der folgenden Tabelle 1 angegebenen Bedingungen
genügt:
Tabelle
1 |
| Spezifische
Oberfläche
[m2/m3] |
Erfindungsgemässer Feinstaub | 5'000 bis 5'000'000 |
Erfindungsgemässer Grobstaub | 20'000 bis 1'500'000 |
Erfindungsgemässe Staubmischung
aus Fein- und Grobstaub | 5'000 bis 5'000'000 |
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Ganz
besonders bevorzugt sind Hüttenreststoffe,
deren Metallstaubanteil den in der folgenden Tabelle 2 angegebenen
Bedingungen genügt:
Tabelle
2 |
| Spezifische
Oberfläche
[m2/m3] |
Erfindungsgemässer Feinstaub | 400'000 bis 600'000 |
Erfindungsgemässer Grobstaub | 60'000 bis 80'000 |
Erfindungsgemässe Staubmischung
aus Fein- und Grobstaub | 150'000 bis 180'000 |
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Vorzugsweise
umfassen die Hüttenreststoffe
gemäss
Erfindung bis zu 100% der metallische Fein- und/oder Grobstäube mit
der folgenden Zusammensetzung (siehe Tabelle 3):
Tabelle
3 |
| Feinstaubzusammensetzung
in % | Grobstaubzusammensetzung
in % |
CaO | 5–15 | 15–30 |
Fe-ges | 40–50 | 35–40 |
Fe-met | 8–15 | 20–25 |
FeO | 16–19 | 13–17 |
Mg | 1–2 | 3–5 |
Zn | 6–40 | 2–10 |
Feuchte | < 0,1 | < 0,1 |
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In
dieser und der folgenden tabellarischen Auflistung steht der Begriff
Fe-ges für
den gesamten Eisenanteil. Dieser gesamte Eisenanteil umfasst sowohl
den metallischen Eisenanteil (Fe-met), als auch z. B. die Metalloxide
(FeO).
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Tabelle
4 zeigt eine besonders bevorzugte Zusammensetzung aus Fein- und Grobstaub:
Tabelle
4 |
| Zusammensetzung
einer erfindungsgemässe Staubmischung
aus Fein- und Grobstaub in % |
CaO | 5–30 |
Fe-ges | 35–50 |
Fe-met | 8–25 |
FeO | 13–19 |
Mg | 1–5 |
Zn | 2–40 |
Feuchte | < 0,1 |
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Verallgemeinert
kann gesagt werden, dass die metallischen Fein- und/oder Grobstäube, die bis zu 100% des Hüttenreststoffs
ausmachen können,
der gemäss
Erfindung zum Einsatz kommt, mindestens einen kleinen Anteil eines
Erdalkalioxids und/oder Alkalioxids (vorzugsweise Calciumoxid, CaO,
oder Kaliumoxid, K2O) als Zusatzstoff umfasst.
Der Anteil des Alkalioxids oder Erdalkalioxids beträgt vorzugsweise
zwischen 5 und 30% des Staubs.
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Der
Einsatz des Erdalkalioxids oder Alkalioxids erfolgt primär aus einem
Grund. Wenn dem Hüttenreststoff
nämlich
Wasser zugeführt
wird, wie es die Erfindung vorsieht, so entsteht Wärme (z.
B. bei der exothermen Reaktion von CaO zu Ca(OH)2;
Kalklöschreaktion
genannt). Diese Wärme,
die in dem Hüttenreststoff durch
den Erdalkalioxidanteil oder den Alkalioxidanteil entsteht, führt zu einer
schnelleren und besseren Umsetzung der metallischen Anteile des
Hüttenreststoffes
zu Wasserstoff. Hier wird das Alkalioxid oder Erdalkalioxid also
wegen der wärmeerzeugenden
oder wärmeerhöhenden Wirkung
eingesetzt.
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Zusätzlich kann
das Alkalioxid oder Erdalkalioxid dazu dienen, die Bestandteile
oder Anteile des Hüttenreststoffes
nach der erfolgten Freisetzung von Wasserstoff miteinander zu verbinden
(Aggregatbildung genannt). D. h., das Alkalioxid oder Erdalkalioxid
dient als Bindemittel, indem die Löschreaktion zur Erzeugung von
Bindemittel genutzt wird.
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Dies
alles vorausgeschickt, liegt der Erfindung die folgende, vereinfachte
Reaktionsgleichung zu Grunde: x Me + H2O → MexO + H2 (In dieser
Gleichung steht Me für
den Metallanteil; vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, han delt
es sich bei dem Metallanteil Me um Eisenpartikel Fe und/oder Zink-
und/oder Aluminiumpartikel).
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Die
Erfindung lässt
sich neben den erwähnten
Eisenpartikeln besonders vorteilhaft auch auf Zink- und Aluminiumpartikel
anwenden.
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Die
folgenden Staubkomponenten treten zum Beispiel in den Hüttenreststoffen
von Stahlhütten
auf:
- – metallisches
Eisen, Fe-met, zwischen 8 und 25% vom Staub
- – nichtmetallisches
Eisen, wie z. B. Eisenoxid, FeO und Fe2O3, zwischen 13 und 19% vom Staub,
- – und
eventuell auch andere Metalle oder Metallverbindungen, wie z. B.
Mg (zwischen 1 und 5%) und/oder Zn (zwischen 2 und 12%).
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Häufig sind
die folgenden Staubkomponenten zusätzlich in den Hüttenreststoffen
vorhanden: SiO2, Al2O3, CaO, MgO und Kohlenstoffanteile (C-ges).
Je nach Stahlsorte, die in der Stahlhütte verarbeitet wird, sind eventuell
auch die entsprechenden Legierungselemente (Chrom, Nickel, usw.)
im Staub zu finden. Auch diese Stäube können in dem erfindungsgemässen Verfahren
zu Wasserstoff umgesetzt werden.
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Ein
Vorteil der gegenständlichen
Erfindung ist, wenn sie auf Feinstäube, Grobstäube oder Staubmischungen mit
einer der in den Tabellen 1 oder 2 angegebenen spezifische Oberfläche angewendet
wird, dass bei der Verarbeitung dieses Hüttenreststoffes zu einem transportablen
Energieträger
Wasserstoff in wirtschaftlich vernünftigem Ausmaß erzeugt
werden kann, ohne einen grossen reaktionstechnischen und apparativen Zusatzaufwand
betreiben zu müssen.
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Besonders
schnell und effizient gelingt diese Umsetzung bei den in Tabelle
3 oder in Tabelle 4 gezeigten Zusammensetzungen.
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Gemäß Erfindung
werden trockene Metallpartikel Me, z. B. in Form von trockenem Metallstaub
in einem Reaktionsbereich 17 gezielt und kontrolliert mit Wasser
(H2O) versetzt. Das Wasser kann je nach
Bedarf und Ausführungsform
in flüssiger
Form oder als Dampf zugesetzt werden. Bei dem Oxidationsvorgang,
der unter diesen Bedingungen abläuft,
wird das Metall oxidiert und es entsteht aus dem Wasser ein sogenanntes
Brüdengas
oder ein Brüdenstrom,
das/der Wasserstoff (H2) enthält. Ein
wesentlicher Aspekt der entsprechenden Prozessführung ist die Temperatur. Je
höher die
Prozesstemperatur gewählt
wird, desto höher
liegt der Umsetzungsgrad der Reaktion. Die typische Temperaturbandbreite
für die
erfindungsgemässe
Umsetzung liegt bei 50 bis 500°C.
Besonders bewährt
haben sich für
die erfindungsgemässe
Umsetzung Temperaturen, die zwischen 150 und 300°C liegen. Alle diese Temperaturwerte
liegen deutlich unterhalb derjenigen Werte, die anhand von Berechnungen
und theoretischen Betrachtungen zu erwarten gewesen wären.
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Der
Begriff Brüdenstrom
wird hier verwendet, um ein ausströmendes Gas zu beschreiben,
das einen Anteil an Wasserstoffgas und eventuell auch Wasserdampf
enthält.
Der Begriff Brüdengas
beschreibt das entsprechende Gas.
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In
diesem Zusammenhang ist wichtig festzustellen, dass die zuvor angegebenen
Temperaturen deutlich unterhalb der als sehr kritisch angesehenen
Selbstentzündungstemperatur
des Wasserstoffs liegen, die bei ca. 560°C liegt. Dadurch ergibt sich
ein ausreichend grosser Abstand zwischen den Temperaturen, die im erfindungsgemässen Verfahren
zum Einsatz kommen und den Temperaturen, bei denen es zu einer Explosion kommen
kann. Wasserstoff wird in Europa in die Explosionsgruppe IIC eingeteilt
und sollte aus Sicherheitsgründen
nicht Temperaturen ausgesetzt werden, die oberhalb der 560°C liegen.
Diese Bedingung wird durch die Erfindung klar eingehalten.
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Die
Untersuchungen haben weiterhin ergeben, dass ein intensiver Phasenkontakt
zwischen dem Feinstaub, dem Grobstaub oder der Staubmischung und
dem zugesetzten Wasser notwendig ist, um die Umsetzung zu Wasserstoff
effizient zu gestalten. Daher werden bei den in den Tabellen 1 und
2 angegebenen Verhältnissen
zwischen der Oberfläche
und dem Volumen besonders schnelle und effiziente Umsetzungen erzielt. Ausserdem
kann der Phasenkontakt deutlich verbessert werden, indem die Hüttenreststoffe
im Reaktionsbereich durchmengt oder bewegt werden. Dieses Durchmengen
oder Bewegen wird hier als intensive Durchmischung bezeichnet.
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Weiterhin
hat sich gezeigt, dass der Grad der Metallumsetzung auch von der
Verweildauer oder der Reaktionszeit abhängt, die zur Verfügung steht.
Generell gilt, dass die Umsetzung umso vollständiger erfolgt, umso länger die
Metallpartikel Me mit dem Wasser zusammen bei einer Temperatur oberhalb
der Mindesttemperatur von 50°C
im Reaktionsbereich 17 (cf. 1 und 2)
verbleiben.
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Typische
Werte (als Beispiel zu verstehen) für die Wasserzugabe liegen bei
3% Feuchte des Hüttenreststoffes
aus dem Reaktor, d. h. bei 100 kg trockenem Hüttenreststoff wird 3 kg H2O beigemengt, bzw. 12 bis 14% aus einem
Granulator, der für
die Agglomeration einem Reaktor nachgeschaltet sein kann.
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Die
Umsetzung der Metallpartikel Me findet in einem sogenannten Reaktionsbereich 17 statt,
der wie folgt definiert werden kann. Bei einem Reaktionsbereich 17 handelt
es sich im Sinne der Erfindung um eine Kammer oder einen Raum (cf. 2),
der bei einem Batchprozess mindestens zeitweise von der Umgebung getrennt
oder gegenüber
der Umgebung abgeschlossen ist. Wenn ein kontinuierlicher Prozess
zum Einsatz kommt, dann befindet sich der Reaktionsraum 17 vorzugsweise
in einer Art Röhre
(cf. 1).
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Weitere
Details einer ersten Vorrichtung 10 werden jetzt in Bezug
auf die 1 beschrieben. Gezeigt ist eine
Vorrichtung 10, die speziell zur Bereitstellung von Wasserstoff
aus Hüttenreststoffen
ausgelegt ist, die Metallpartikel Me umfassen. Die Vorrichtung 10 umfasst
zu diesem Zweck einen röhrenförmigen Reaktor 11 in dessen
Inneren ein Misch- und Förderorgan 20 (stark
schematisiert dargestellt) gelagert ist. Diese Förderschnecke 20 wird
durch einen Motor 21 angetrieben und dreht sich um die
Rotationsachse A. Durch die Rotation wird der Hüttenreststoff, der durch eine Öffnung oder
einen Einlass 12 in das Innere des Reaktors 11 gelangt,
von links nach rechts befördert.
Bei dieser Beförderung,
die vor zugsweise kontinuierlich abläuft, wird der Hüttenreststoff
durchmengt. Vorzugsweise wird Wasser (in flüssiger Form oder in Dampfform)
durch eine oder mehrere Düsen
in den als Reaktionsbereich 17 bezeichneten Bereich des
Reaktors 11 gelassen. In 1 sind mehrere
solche Düsen
angedeutet und mit dem Bezugszeichen 18 versehen. Wenn
der Hüttenreststoff
eine Temperatur hat, die oberhalb der Mindesttemperatur von 50°C liegt,
beginnt sich Wasserstoff zu bilden. Dieser Wasserstoff kann durch
einen Auslass 13 entnommen werden. Auf der rechten Seite
des gezeigten Reaktors 10 befindet sich der Entnahmepunkt 14 für die Reststoffe,
die hier auch als passivierter Staub bezeichnet werden.
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Vorzugsweise
ist der röhrenförmige Reaktor 11 mit
radial nach innen weisenden Mischelementen oder Durchmischungsorganen,
Kämmen
oder Rippen ausgestattet, um den Grad der Durchmischung weiter zu
erhöhen.
Es können
auch zwei parallel verlaufende Schnecken vorgesehen sein, deren
Schaufeln oder Zähne ineinander
greifen.
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Weitere
Details einer zweiten Vorrichtung 10 werden jetzt in Bezug
auf die 2 beschrieben. Die in 2 gezeigte
Vorrichtung 10 zeichnet sich dadurch aus, dass sie für einen
Batch-Prozess (d. h. für
einen diskontinuierlich ablaufenden Prozess) ausgelegt ist. Der
Hüttenreststoff
gelangt durch eine Öffnung
oder einen Einlass 12 in das Innere des Reaktors 11.
Vorzugsweise wird von oben her Wasser (in flüssiger Form oder in Dampfform)
durch eine oder mehrere Düsen 18 in
den als Reaktionsbereich 17 bezeichneten Bereich des Reaktors 11 gelassen.
Wenn der Hüttenreststoff
eine Temperatur hat, die oberhalb der Mindesttemperatur von 50°C liegt,
dann beginnt sich Wasserstoff zu bilden. Dieser Wasserstoff kann
durch einen Auslass 13 entnommen werden. Die Verweildauer,
die für
eine Umsetzung notwendig ist, wird dadurch erzielt, dass der Hüttenreststoff
mindestens während
der Verweildauer im Reaktionsbereich 17 verbleibt und erst
anschliessend an einem Entnahmepunkt 14 abgelassen wird.
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Die
Vorrichtung 10 nach 2 umfasst
also einen in sich geschlossenen Batch-Reaktor 11, der
den Reaktionsbereich 17 umschliesst. Um während der
Verweildauer die Temperatur der Metallpartikel Me oberhalb der vorgegebenen Mindesttemperatur
zu halten, können
optionale Heizmittel im Bereich des Reaktors 11 vorgesehen
sein.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
kommt man jedoch vollkommen ohne Heizmittel oder dergleichen aus.
In diesem bevorzugten Fall wird die notwendige Wärmeenergie entweder vorgegeben,
indem der Hüttenreststoff
mit der notwendigen Temperatur angeliefert wird, oder es wird eine
exotherm ablaufende chemische Reaktion des Erdalkalioxidanteils
oder Alkalioxidanteils ausgenutzt. Diese chemische Reaktion wird ausgelöst, indem
das Wasser, das zugegeben wird, mit dem Erdalkalioxidanteil oder
Alkalioxidanteil reagiert. Diese Art der Ausführungsform ist besonders bevorzugt,
da der apparative Aufwand deutlich kleiner ist als bei Anlagen 10,
die speziell beheizt werden müssen.
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Es
können
in einer weiteren Ausführungsform
auch mehrere kontinuierlich arbeitende Reaktoren hintereinander
angeordnet werden.
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Der
Reaktionsbereich 17 kann in einer speziellen Ausführungsform
extern (z. B. induktiv) oder intern (z. B. durch Heizstäbe) geheizt
werden, um die notwendige Mindesttemperatur von 50°C vorzugeben.
Hierzu können
entsprechende Heizmittel im Reaktionsbereich 17 oder an
dem Reaktor 11 angebracht sein. Zusätzlich können die Metallpartikel Me
vorgeheizt werden, um dann bereits mit einer gewissen Grundtemperatur
in den Reaktionsbereich 17 eingebracht zu werden, um sie
dann dort mit Wasser zu versetzen. Die entsprechenden Heizmittel
für das
Vorheizen können
im Bereich einer Metallpartikelzufuhr 12 angeordnet sein.
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Die
Umsetzung zu Wasserstoff kann beschleunigt, d. h. die Verweilzeit
der Metallpartikel Me im Reaktionsbereich 17 verkürzt werden,
indem man für
eine Agitation (Durchmischung) der Metallpartikel Me sorgt.
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Bei
den in den Figuren gezeigten Ausführungsformen handelt es sich
um einfache, stark schematisierte Ausführungsformen. Die Darstellungen
sind rein schematischer Natur und es liegt auf der Hand, dass z.
B. der Reaktor 11 eine andere Form haben kann und dass
die einzelnen Elemente anders ausgeführt und/oder anders angeordnet
sein können.
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Der
Reaktor 11 kann bei allen Ausführungsformen doppelwandig ausgeführt sein.
Diese doppelwandige Ausführung
bietet einen hervorragenden Explosionsschutz, da kein Sauerstoff
von aussen eindringen oder Wasserstoff von Innen herausgelangen
kann. Besonders bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen der
Zwischenraum, der sich durch die Doppelwandigkeit ergibt, mit einem
inerten Gas, z. B. Stickstoff, gespült wird. Es können aber
auch andere Zündschutzkapselungen
zur Anwendung kommen.
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Jede
der Ausführungsformen
kann auch mit Mitteln zum Spülen 19.1 mit
Inertgas ausgelegt sein, wie in den 1 und 2 angedeutet.
Bei Bedarf wird durch diese Mittel 19.1 Inertgas in den
Reaktionsbereich 17 gelassen, um diesen zu Spülen und
um dadurch Inertbedingungen bereit zu stellen.
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Die
Metallpartikel Me speichern eine enorme Menge an Wärmeenergie
und es ist daher möglich
bei den gezeigten Ausführungsformen
auf die externen oder internen Heizmittel ganz zu verzichten.
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Falls
die Metallpartikel Me direkt aus einem vorausgehenden Prozess in
den Reaktionsbereich 17 eingebracht werden und falls die
Metallpartikel Me eine bestimmte Grundtemperatur von dem Vorprozess
aufweisen, können
die externen oder internen Heizmittel kleiner dimensioniert oder
weniger lang eingesetzt werden, oder es kann weniger Erdalkalioxidanteil
oder Alkalioxidanteil eingesetzt werden, um die notwendige Wärme bereit
zu stellen.
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Ein
möglicher
Reaktionsbereich 17 ist vorteilhafterweise so ausgelegt,
dass er vom Volumen her dazu in der Lage ist sowohl eine Charge
der Metallpartikel Me samt Wasser aufzunehmen, als auch das Wasserstoffgas
vollständig
aufzunehmen, dass während
der Verweildauer im Reaktionsbereich 17 entsteht. Wenn
mit einer Lösung
gearbeitet wird, die von Zeit zu Zeit durch das Öffnen eines Ventils das Wasserstoffgas
in einen Wasserstoffdrucktank entleert, dann kann das Gasvolumen
des Reaktionsbereichs 17 entsprechend kleiner ausgelegt
sein.
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Ein
anderer möglicher
Reaktionsbereich 17 ist vorteilhafterweise so ausgelegt,
dass er vom Volumen her dazu in der Lage ist sowohl eine Charge
der Metallpartikel samt dem Wasser aufzunehmen, als auch einen Teil
des Wasserstoffgases aufzunehmen, das während der Verweildauer im Reaktionsbereich
entsteht. Falls das Volumen so bemessen ist, dass nur ein Teil des
Wasserstoffgases aufgenommen werden kann, so ist vorzugsweise ein
Brüdenauslass
mit Überdruckventil
vorgesehen, das selbsttätig öffnet, wenn
ein gewisser Gasdruck im Inneren des Reaktionsbereichs 17 entsteht.
Durch das Öffnen
des Überdruckventils
kann ein Teil des Wasserstoffgases abgelassen werden und es wird
somit Raum für
die weitere Gasentwicklung bereit gestellt.
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Beim
gleichzeitigen Vorhandensein von Zündquellen und zündfähigen Gasgemischen
können
Explosionen im Gasraum auftreten. Um Explosionen zu vermeiden, sollte
verhindert werden, dass Reste an Sauerstoff im Reaktionsbereich 17 vorhanden
sind. Dadurch kann es zu keiner Explosion aufgrund von Knallgasbildung
kommen. Vorzugsweise wird zusätzlich
der Sauerstoffgehalt im Reaktionsbereich 17 vor dem Einsetzen der
Umsetzung vorzugsweise abgesenkt. Das Absenken kann z. B. durch
das Absaugen des im Reaktionsbereich 17 vorhandenen Gases
geschehen. Der Gasbereich kann aber auch mit einem Inertgas (z.
B. Stickstoff oder Argon) gespült
werden. Der Schritt des Spülens
kann auch zusätzlich
zu dem Schritt des Absaugens ausgeführt werden, um die Sicherheit
weiter zu erhöhen.
Es kann auch ein Sauerstoffgetter (im Sinne eines Sauerstofffängers) eingesetzt
werden, der Sauerstoff einfängt.
Die Details einer Absauganlage sind in den 1 und 2 nicht
gezeigt. Optionale Elemente der Gasspülanlage sind in den Figuren
mit 19.1 bezeichnet.
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Die
Umsetzung zu Wasserstoff kann beschleunigt, d. h. die Verweilzeit
der Metallpartikel Me im Reaktionsbereich 17 verkürzt werden,
indem man für
eine Agitation (Durchmischung) der Metallpartikel Me sorgt. Unter
Agitation versteht man im vorliegenden Zusammenhang das Rühren, Bewegen
oder Durchmengen der Metallpartikel Me im Reaktionsbereich 17.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kommen entsprechende
Agitationsmittel 22 zum Einsatz, wie in 2 angedeutet.
Die Agitationsmittel sollten so ausgelegt sein, dass durch die entstehende
Reibung mit dem Metallpartikeln Me keine Funkenbildung auftritt,
da es ansonsten zu einer Entzündung
und eventuell Explosion kommen kann. Daher verwendet man vorzugsweise
beschichtete Rührwerke 22 oder
Mischelemente, oder Rührwerke
bzw. Mischelemente aus Keramik oder Kunststoff. Besonders bevorzugt
sind Rührwerke
oder Mischelemente, die auf demselben elektrischen Potential gehalten
werden wie die Wandungen und anderen Elemente des Reaktionsbereichs 17,
respektive des Reaktors 11. Diese Materialangaben beziehen
sich in einer bevorzugten Ausführungsform
auch auf die Förderschnecke 20 und/oder
auf die erwähnten
optionalen, radial nach innen weisenden Elemente.
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Da
die Metallpartikel Me für
eine gewisse Verweildauer in dem Reaktionsbereich 17 bleiben
müssen, um
eine weitestgehende Umsetzung zu Wasserstoff zu erzielen, handelt
es sich bei der in 2 gezeigten Vorrichtung 10 um
eine diskontinuierlich arbeitende Vorrichtung 10. Der diskontinuierlich
arbeitende Prozess wird hier auch als Batch-Prozess bezeichnet,
bei dem Charge für
Charge umgesetzt wird. Bei dem Reaktor 11 nach 2 handelt
es sich daher um einen Batch-Reaktor 11. Um den Durchsatz
einer entsprechenden Verarbeitungsanlage (Vorrichtung 10)
zu erhöhen,
kann einerseits die Aufnahmemenge des Reaktionsbereichs 17 erhöht werden.
Andererseits können
aber zwei oder mehr solche Batch-Reaktoren 11 miteinander
kombiniert werden. Besonders bevorzugt ist eine Zweifach-Batch-Vorrichtung
oder eine Mehrfach-Batch-Vorrichtung, die drei oder mehr Reaktoren 11 aufweist.
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Die
gegenwärtig
bevorzugte Vorrichtung 10 nach 1 zeichnet
sich dadurch aus, dass der Reaktor 11 zur kontinuierlichen
Umsetzung zu Wasserstoff ausgelegt ist. Die Länge der Reaktorröhre 11 und
die Umdrehungsgeschwindigkeit und Steigung der Förderschnecke 20 definieren
hier die Verweildauer, sprich die Durchlaufzeit.
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Die
Verweildauer beträgt
je nach Ausführungsform
mindestens 5 Minuten. Vorzugsweise beträgt die Verweildauer zwischen
15 Minuten und 150 Minuten.
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Eine
weitere bevorzugte Vorrichtung 10 zeichnet sich dadurch
aus, dass im Bereich der Metallpartikelzufuhr 12 eine Magnetvorrichtung
(vorzugsweise in Form eines starken Elektromagnets) angeordnet ist,
um Metallpartikel Me von anderen nichtmetallischen Mischgutanteilen
trennen zu können,
bevor die Metallpartikel Me in den Reaktionsbereich 17 eingebracht
werden. Dies erhöht
die Effizienz des Verfahrens beträchtlich, da weniger Wärmeenergie
pro Volumeneinheit Metallpartikel Me erforderlich ist, um die gleiche
Ausbeute an Wasserstoffgas zu erhalten.
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In
einigen metallverarbeitenden Werken fällt eine Mischung aus metallischem
Feinstaub und Grobstaub an, die hier als Staubmischung bezeichnet
wird. In diesem Fall kann man entweder den Feinstaub zusammen mit
dem Grobstaub dem Umsetzungsprozess unterziehen, oder es wird eine
Trennung (z. B. mittels Sieben) des Feinstaubs vom Grobstaub vorgenommen,
bevor der Feinstaub und der Grobstaub getrennt voneinander der Umsetzung
zugeführt
werden. Der letztere Ansatz hat den Vorteil, dass die Umsetzung
für den
Feinstaub bei anderen Bedingungen erfolgen kann als die Umsetzung
des Grobstaubs. Durch diese Trennung lassen sich die Umsetzungsprozesse
einzeln optimieren, respektive steuern.
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Besonders
vorteilhaft ist die Kombination der Erfindung mit einem Prozess
zur Agglomerierung, respektive zur Stückigmachung. Unter dem Begriff
Agglomerierung versteht man hier die Metallstaubgranulierung, Metallstaubbrikettierung
und die Metallstaubpelltierung. Besonders bevorzugt ist eine Kombination
der Erfindung mit einem Prozess zur Metallstaubgranulierung. Diese
Kombination ist aber nicht zwingend notwendig und ist daher optional.
Bei der Agglomerierung kommt die beschriebene bindende Wirkung z.
B. des Erdalkalioxids zum Einsatz.
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Es
ist ein Vorteil der Agglomerierung, dass die Metallpartikel Medurch
die Agglomeration besser transportfähig gemacht werden. Ausserdem
ist der agglomerierte Metallstaub ein Reststoff, der an verschiedenen Orten
weiterverwertet werden kann.
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Es
wird als ein Vorteil der Erfindung angesehen, dass aus dem als Abfallprodukt
anfallenden Metallpartikeln Me Wasserstoff als Energieträger gewonnen
werden kann. Bei dem Wasserstoff handelt es sich somit um ein Nebenprodukt
der eigentlichen Metallverarbeitung. Man nutzt dabei die Energie,
die in den als Abfallprodukt vorliegenden Metallpartikeln steckt.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Metallpartikel
quasi durch einen Oxidationsprozess passiviert werden, was zu einer
sichereren Handhabung und Weiterverarbeitung führt.
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Der
anfallende Wasserstoff kann entweder vor Ort eingesetzt werden,
zum Beispiel um als Energielieferant zu dienen, oder der Wasserstoff
kann gespeichert und/oder abtransportiert werden. Je nach Verwendung
des Wasserstoffs kann entweder der Zukauf von Energie oder Energieträgern reduziert
werden, oder es können
durch das Weiterveräussern
des Wasserstoffs Einkünfte
erzielt werden.
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Es
ist ein Vorteil der Erfindung, dass z. B. Rückgut aus der Heissentstaubung
oder der kalten Trockenentstaubung, sowie Staub aus der Primär- und Sekundärentstaubung
sinnvoll eingesetzt werden kann, um daraus Wasserstoff zu erzeugen.
Die entsprechenden Metallpartikel Me stellen aufgrund ihres hohen
Metallgehalts (meistens in Form von Eisen) einen wertvollen Stoff
dar, der durch das neue Verfahren einem sinnvollen Einsatz zugeführt werden
kann. Bezugszeichenliste
Anlage | 10 |
Reaktor | 11 |
Zufuhr
für Metallpartikel | 12 |
Wasserstoffauslass | 13 |
Abfuhr
für oxidierte
Metallpartikel | 14 |
Reaktionsbereich | 17 |
Wasserzufuhr | 18 |
Optionale
Stickstoffspülung | 19.1 |
Schneckenförderer | 20 |
Motor | 21 |
Schaufeln | 22 |
Drehachse | A |
Rührwerkachsen | B |
Metallpartikel | Me |