DE102015110772A1 - Verfahren und Anlage zum Rösten von trockenen Erzpartikeln in einer Wirbelschicht - Google Patents

Verfahren und Anlage zum Rösten von trockenen Erzpartikeln in einer Wirbelschicht Download PDF

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Abstract

Die oben genannte Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Rösten von Erzpartikeln, welche Kohlenstoff und/oder Schwefel enthalten, wobei die Partikel in einen Reaktor zum Rösten eingebracht werden. Ein Sauerstoff enthaltendes Gas wird zugeführt, wobei die Partikel in einer Wirbelschicht bei Temperaturen von 500 bis 1000 °C für wenigstens 10 s geröstet werden und wobei die gerösteten Partikel aus dem Reaktor abgezogen werden. Die Partikel haben einen Wassergehalt von maximal 2 Gew.-% und werden pneumatisch in die Wirbelschicht eingebracht.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Rösten von Erzpartikeln, welche Kohlenstoff und/oder Schwefel enthalten, wobei die Partikel zum Rösten in einen Reaktor eingebracht werden, wobei Sauerstoff zugeführt wird, wobei die Partikel in ein Wirbelschichtbett bei Temperaturen von 500 bis 1000 °C für wenigstens 10 s fluidisiert werden und wobei die gerösteten Partikel aus dem Reaktor abgezogen werden. Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auch auf eine Anlage, welche zur Durchführung dieses Prozesses geeignet ist.
  • Rösten ist ein Schritt in der Behandlung von verschiedenen Erzen. Genauer gesagt ist Rösten ein metallurgischer Prozess, welcher Gas-Feststoffreaktionen beschreibt, die bei erhöhten Temperaturen mit dem Ziel, Metallkomponenten zu separieren. Oftmals wird vor dem Rösten das Erz bereits in reduzierenden Anlagen behandelt, wie z. B. bei Schaumflotation. Aber auch gemahlenes vollständiges Erz kann behandelt werden.
  • Im Rösten werden die Erzkonzentrate mit sehr heißer Luft behandelt. Dieses Verfahren wird allgemein bei Mineralien angewendet, welche Schwefel und/oder Kohlenstoff enthalten. Während des Röstens werden die Sulfide und/oder Carbonate und/oder organischer Kohlenstoff zu einem Oxid umgewandelt und Schwefel wird als Schwefeldioxid und organischer Kohlenstoff als Kohlenstoffdioxid oder Kohlenstoffmonoxid freigesetzt. Für die Erze Cu2S (Chalcocite) und ZnS (Sphalerite) ist die ausgeglichene Reaktionsgleichung: 2Cu2S + 3O2 → 2Cu2O + 2SO2 2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 2SO2
  • Organischer Kohlenstoff wird nach der folgenden Reaktionsgleichung umgesetzt: Corg + O2 → CO2
  • Ein typischer Röstprozess wird in Dokument DE 976 145 A1 beschrieben, worin ein typischer Röster beschrieben ist. Darin werden Erzpartikel in einen Wirbelschichtreaktor eingebracht, welcher so gebaut ist, dass sein Querschnitt sich von dem Boden aus nach oben aufweitet, wodurch Partikel von jedem Durchmesser fluidisiert werden können.
  • Dokument DE 3 300 609 befasst sich mit einem Verfahren zum Rösten von Partikeln, wobei ein Überschuss an oxidierenden Gasen in einen Wirbelschichtreaktor verwendet wird.
  • Dokument DE 907 417 beschreibt ein Verfahren zur Reduktion von Fe2O3 zu Fe3O4, bei dem Kohlenstoff als Oxidationsmittel verwendet wird.
  • Auch Dokument DE 101 0 646 lehrt die Reduktion von Fe2O3, wobei drei Wirbelschichtsysteme verwendet werden, welche übereinander gebaut sind.
  • Dokument CH 538 655 beschreibt eine Wirbelschicht zu Umsetzung von Mangan oder Magnesiumsulfat in die überkreuzenden Oxide. Wie es typisch für Röstprozesse ist, werden die Edukte von oben in den Reaktor eingebracht.
  • In all diesen Verfahren wird das Erzkonzentrat mit einem Wassergehalt von 5 bis 12 Gew.-% eingebracht. Während des Röstens verdampft die Feuchtigkeit und der resultierende Dampf wird durch verschiedene Verbraucher geführt oder zur Herstellung von Elektrizität in einem Generator verwendet. Das Konzentrat wird normalerweise über ein Förderband oberhalb des Bettes in dem Röster in den Röster eingebracht.
  • Die Einbringung von trockenem Konzentrat mit hohem Energiegehalt würde die zusätzlich benötigten Energiekosten zum Verdampfen des enthaltenen Wassers einsparen. Allerdings ist es nicht möglich, trockenes Material mit einem Förderband einzubringen. Eine Einbringung des Materials über das Band würde zu dem Effekt führen, dass ein hoher Anteil des Materials in die sogenannte Freizone (free board) oberhalb des Wirbelbettes fliegen würde. Darin würden die Feststoffe reagieren, überhitzen und Agglomerate mit sich selbst im oberen Bereich des Rösters formen. Als Ergebnis würden sich nicht nur Klumpen bilden, sondern der obere Bereich des Rösters mit Ziegeln etc. würde überhitzt werden.
  • Aus anderen Wirbelschichtprozessen ist eine direkte Einbringung bekannt. Zum Beispiel beschreibt Dokument DE 3 534 419 C1 die Vergasung von Kohle in eine Wirbelschicht, wobei die Kohle in das Wirbelbett selbst injiziert wird, wo sie sofort vergast wird. Fast genau der gleiche Prozess wird auch in der DE 10 2005 047583 B4 beschrieben.
  • Jedoch würde der Fachmann für ein Röstverfahren bei einer direkten Einbringung von Erzpartikeln in die Wirbelschicht aufgrund der hohen lokalen Erzkonzentration direkt an den Einbringungspunkten Agglomerate erwarten. Daher erscheint es momentan nicht möglich, die Erzpartikel in einem trockenen Zustand in einen Röstreaktor einzubringen.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem Erzpartikel in einem trockenen Zustand in einen Wirbelschichtreaktor eingebracht werden können.
  • Diese Aufgabe wird grundsätzlich durch die Erfindung gelöst, wie sie in Anspruch 1 definiert ist. Dabei werden die Partikel in den Röstreaktor eingebracht. Weiter wird ein Sauerstoff enthaltendes Gas zugeführt, welches bevorzugt als Fluidisierungsgas genutzt wird. Die Partikel werden innerhalb des Reaktors in einer Wirbelschicht bei Temperaturen von 500 bis 1000 °C für wenigstens 10 s fluidisiert. Die durchschnittliche Verweilzeit in einem normalen Wirbelschichtreaktor liegt im Bereich von 20 bis 50 min. Danach werden die gerösteten Partikel aus dem Reaktor abgezogen. Die Röstgase werden natürlich über den Kopf des Reaktors aus dem Reaktor abgezogen.
  • Es ist die grundsätzliche Idee der Erfindung, dass die Partikel einen Oberflächenwassergehalt von maximal 2 Gew.-%, bevorzugt maximal 1 Gew.-% haben und pneumatisch in die Wirbelschicht eingebracht werden. Dabei kann das Material wie erforderlich innerhalb der Schicht reagieren, da in der Umgebung der Auslass der Einbringungsleitung die Partikelkonzentration durch das pneumatische Gas verdünnt wird. Als ein Ergebnis ist der Energiebedarf reduziert, da kein Wasser verdampft werden muss.
  • Das Verhältnis zwischen pneumatischem Gas und Partikelgewicht sollte im Bereich von maximal 10 kg Feststoff pro Kilogramm pneumatisches Gas liegen.
  • Bevorzugt liegt der organische Kohlenstoffgehalt zwischen 0 und 8 Gew.-% und/oder der Gehalt an metallischen Sulfiden-Schwefel zwischen 3 und 55 Gew-%. In diesem Bereich ist die Ausbeute der Reaktion so hoch wie möglich.
  • Typischerweise liegt der durchschnittliche Durchmesser der Partikel zwischen 0,001 und 10 mm, bevorzugt 0,001 und 2 mm. In diesem Bereich können die Partikel in typischen Wirbelschichtreaktoren fluidisiert werden.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Wirbelschicht als Blasenwirbelschicht ausgebildet. Blasensysteme findet man dann, wenn die Einlassgasgeschwindigkeit des Fluidisierungsgases geringfügig höher als die minimale Fluidisierungsgeschwindigkeit ist. Dies trägt zu einer kleinen Expansion der Schicht bei. Kleine Blasen haben die Tendenz sich innerhalb der freien Zone aufzulösen, sofern sie in eine stationäre, nicht blasenbildende Wirbelschicht eingebracht werden. Wird danach die Gasgeschwindigkeit in der dichten Phase weiter erhöht, neigen große Blasen dazu, aufzusteigen. Wenn die Blasen größer als die kritische Größe sind, wird das Bett beginnen, in dem Maße zu expandieren, wie ein zusätzliches Volumen durch die eingebrachten Blasen entsteht. Durch die Bildung einer blasenbildenden Wirbelschicht wird ein homogeneres Temperaturprofil innerhalb der Schicht erzeugt, wodurch die Reaktionstemperatur abgesenkt werden kann. Das Absenken der Temperatur führt zu einem geringen Risiko von Agglomerationen, was sich positiv auf die Einbringung von Partikeln direkt in das Bett auswirkt.
  • Röstreaktionen sind exotherme Reaktionen. Daher muss die Wirbelschicht gekühlt werden. Bevorzugt wird die Wirbelschicht über wenigstens eine Kühlleitung gekühlt, indem Kühlschlangen oder Kühlplatten in das Bett gesteckt werden.
  • In einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung werden die Partikel innerhalb einer Kühlvorrichtung eingebracht, z. B. zwischen zwei Kühlplatten oder innerhalb einer Kühlschlange. Es ist auch möglich, die Partikel mit einer Distanz von 50 cm oder weniger, bevorzugt 25 cm oder weniger, besonders bevorzugt 15 cm oder weniger zu der Kühlvorrichtung einzubringen. Dies erlaubt die Möglichkeit die Partikel in einer Region einzubringen, in der die Temperatur lokal geringer als die mittlere Temperatur in der Wirbelschicht ist. Dadurch kann das Risiko von Agglomerationen weiter gesenkt werden.
  • Es ist auch bevorzugt, ein inertes Gas wie Stickstoff als Gas für die pneumatische Injektion zu nutzen. Dadurch kann ein Verklumpen reduziert werden, weil nicht nur die lokale Partikelkonzentration, sondern auch die lokale Sauerstoffkonzentration abgesenkt ist.
  • Die Partikel werden über wenigstens eine Düse eingebracht, wobei die durchschnittliche Geschwindigkeit der Partikel in der Düse zwischen 10 und 60 m/sec liegt.
  • Weiterhin umfasst die Erfindung auch eine Vorrichtung zum Rösten von Erzpartikeln, welche organischen Kohlenstoff und/oder Sulfid-Schwefel enthalten. Eine solche Vorrichtung enthält einen Wirbelschichtreaktor zur Durchführung des Röstverfahrens. Der Wirbelschichtreaktor weist eine Zufuhrleitung zur Einbringung von Erzpartikeln, die organischen Kohlenstoff und/oder Sulfid-Schwefel enthalten, eine Sauerstoffleitung, um einen Sauerstoff enthaltenden Gasstrom zu haben. und eine Auslassleitung, um geröstete Partikel aus dem Reaktor abzuziehen, auf. Gemäß der Erfindung weist die Einbringungsleitung ein pneumatisches Zufuhrsystem auf und hat wenigstens eine Öffnung, welche so positioniert ist, dass während des Betriebs die Partikel direkt innerhalb der Wirbelschicht eingebracht werden. Dies gibt die Möglichkeit. trockene Partikel einzubringen, welche im anderen Fall direkt in den Freiraum des Rösters aufsteigen würden, wo sie reagieren, Agglomerationen bilden und den oberen Bereich des Reaktors aufheizen würden.
  • Um die Wirbelschicht zu kühlen und die durch die exothermen Reaktionen bedingte Hitze abzuführen, ist wenigstens eine Kühlvorrichtung derart installiert, dass sie während des Betriebs innerhalb der Wirbelschicht des Wirbelschichtreaktors steckt.
  • Bevorzugt weist die Kühlvorrichtung wenigstens zwei Kühlplatten und/oder wenigstens eine Kühlschlange auf.
  • Um frisch zugeführte Partikel vor der Agglomeration zu bewahren, sieht eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass der Auslass der Zufuhrleitung zwischen den Kühlplatten und/oder innerhalb der Kühlschlange endet. Es ist auch möglich, dass der Auslass mit einer Distanz von 50 cm oder weniger, bevorzugt 25 cm oder weniger, besonders bevorzugt 15 cm oder weniger zu der Kühlvorrichtung angeordnet ist. Dadurch kann die lokale Temperatur im Einbringungsbereich abgesenkt werden, weshalb die für die Agglomeration benötigte Aktivierungsenergie nicht erreicht wird.
  • Es liegt auch im Bereich der Erfindung, eine zusätzliche Kühlung oder Zufuhrleitung oder wenigstens einen Auslass der Zufuhrleitung vorzusehen und so das Risiko von Verklumpung weiter zu reduzieren.
  • Der Reaktor kann so gestaltet werden, dass die Zufuhrleitung wenigstens vier Auslässe aufweist, welche gleichmäßig in dem Reaktor verteilt sind.
  • Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbezügen.
  • In den Figuren:
  • 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung und
  • 2 zeigt schematisch einen Querschnitt durch den Reaktor.
  • Gemäß 1 weist die Vorrichtung 10 eine Zufuhrleitung 13 zur Einbringung von Erzpartikeln in den Reaktor 11 auf. Die Zufuhrleitung 13 enthält ein pneumatisches Zufuhrsystem 12. Um Partikel nach dem Rösten aus der Wirbelschicht zu entfernen, ist eine Auslassleitung 16 vorgesehen.
  • Oxidierendes Gas wird über eine Sauerstoffleitung 15 eingebracht, wobei das oxidierende Gas, bevorzugt Luft, auch als Fluidisierungsgas genutzt ist, weshalb es am Boden des Reaktors 11 eingebracht wird. Nach der Einbringung muss das Fluidisierungsgas eine perforierte Platte 20 passieren. Im Betrieb ist eine Wirbelschicht 21 oberhalb der perforierten Platte 20 ausgebildet.
  • Oberhalb der Wirbelschicht 21 ist die sogenannte Freiraumzone 22 im oberen Bereich des Reaktors 11 angeordnet. Von dieser Freiraumzone 22 ist eine Leitung 30 zum Abzug der Röstgase vorgesehen.
  • Leitung 30 endet in einem Zyklon 31, in dem das Gas und mitgerissene kleine Partikel voneinander getrennt werden. Die Gase werden vom Zyklon 31 über eine Leitung 32 zu einer nicht gezeigten weiteren Gasreinigung geführt, während die in dem Zyklon 31 abgetrennten Partikel über eine Leitung 33 zurück in den Reaktor 11 geführt werden.
  • Innerhalb der Wirbelschicht 21 sind Kühlvorrichtungen 17 in Form von Kühlplatten derart installiert, dass sie während des Betriebs innerhalb der Wirbelschicht 21 liegen. Die Zufuhrleitung 13 führt in die Mitte zwischen den Kühlvorrichtungen 17 und bringt Erzpartikel über eine Einbringungsdüse 14 zwischen die als Kühlplatten ausgebildeten Kühlvorrichtungen 17. Dadurch ist die lokale Temperatur an der Einbringungsposition abgesenkt, um Agglomeration zu verhindern.
  • 2 zeigt einen Querschnitt durch den Reaktor 10. Über Zufuhrleitung 13 wird Material zu den Einbringungsdüsen 14 transportiert. Alle Einbringungsdüsen 14 sind zwischen zwei als Platten ausgebildeten Kühlvorrichtungen 17 platziert. Dadurch zeigt die Einbringungsposition eine Temperatur von wenigstens 3 °C, bevorzugt 5 °C, besonders bevorzugt mehr als 10 °C geringer als die mittlere Reaktortemperatur, um so das Risiko von Agglomeration zu vermeiden.
  • Um die Kühlvorrichtung 17 und die Einbringungsdüsen 14 von Schäden durch die fludisierten Partikel zu schützen, ist die perforierte Platte nicht in den Regionen der Kühlvorrichtung 17 und der Einbringungsdüsen 14 perforiert. Als ein Ergebnis wird das Fludisierungsgas in diesen Regionen nicht eingebracht.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Vorrichtung
    11
    Reaktor
    12
    pneumatische Zufuhreinrichtung
    13
    Zufuhrleitung
    14
    Einbringungsdüse
    15
    Sauerstoffleitung
    16
    Auslassleitung
    17
    Kühlvorrichtung
    20
    perforierte Platte
    21
    Wirbelschicht (während des Betriebs)
    22
    Freiraumzone
    30
    Leitung
    31
    Zyklon
    32, 33
    Leitung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 976145 A1 [0005]
    • DE 3300609 [0006]
    • DE 907417 [0007]
    • DE 1010646 [0008]
    • CH 538655 [0009]
    • DE 3534419 C1 [0012]
    • DE 102005047583 B4 [0012]

Claims (12)

  1. Verfahren zum Rösten von Erzpartikeln welche Kohlenstoff und/oder Schwefel enthalten, wobei die Partikel in einen Reaktor zum Rösten eingebracht werden, wobei ein Sauerstoff enthaltendes Gas eingespeist wird, wobei die Partikel in einer Wirbelschicht bei Temperaturen von 500 bis 1000 °C für wenigstens 10 s geröstet werden und wobei die gerösteten Partikel von dem Reaktor abgezogen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel einen Wassergehalt von maximal 2 Gew.-% haben und dass die Partikel pneumatisch in die Wirbelschicht eingebracht werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffgehalt zwischen 0 und 8 Gew.-% und/oder der Schwefelgehalt zwischen 3 und 55 Gew.-% liegt.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Durchmesser der Partikel zwischen 0,001 und 10 mm liegt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelschicht eine blasenbildende Wirbelschicht ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelschicht mittels wenigstens einer Kühlvorrichtung gekühlt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel innerhalb der Kühlvorrichtung oder mit einer Distanz von 50 cm oder weniger zu der Kühlvorrichtung eingebracht werden.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas für die pneumatische Einbringung ein Inertgas ist.
  8. Vorrichtung zum Rösten von Partikeln umfassend einen Wirbelschichtreaktor mit wenigstens einer Zufuhrleitung (13) zur Einbringung von Erzpartikeln, welche Kohlenstoff und/oder Schwefel enthalten, eine Sauerstoffleitung (15) zur Einbringung eines Sauerstoff enthaltenden Gasstroms und einer Auslassleitung (16) zum Abzug der gerösteten Partikel, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhrleitung (13) ein pneumatisches Zufuhrsystem (12) aufweist und während des Betriebs die Zufuhrleitung (13) in der Wirbelschicht (21) endet.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Kühlvorrichtung während des Betriebs innerhalb der Wirbelschicht (21) ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (17) wenigstens zwei Kühlplatten und/oder wenigstens eine Kühlschlange aufweist, wobei wenigstens ein Auslass (14) der Zufuhrleitung (13) zwischen den Kühlplatten oder innerhalb der Kühlschlange endet.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhrleitung (13) und/oder wenigstens ein Ende der Zufuhrleitung (13) teilweise gekühlt wird.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhrleitung (13) wenigstens vier Auslässe aufweist, welche gleichmäßig über den Reaktor (11) verteilt sind.
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