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Verfahren zur Herstellung eines gut reaktionsfähigen Aggregats aus
einem oxydhaltigen Erz und Kohlenstoff und Vorrichtung zu dessen Ausführung Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von mit Kohle
imprägnierten Festkörpern, insbesondere von oxydhaltigen Erzen und Kohle, bei denen
Erz mit oder ohne Hinzufügung von Koks in einen u-aagerechten Drehofen eingeführt,
darin erhitzt und v-#,hrend des Durchgangs durch den Ofen mit Asphalt ges;_ttigt
wird. Der Asphalt wird dem Erz an mehreren in einer gewissen Entfernung voneinander
liegenden Stellen zugeführt, während der Erhitzung in den Poren des Erzes und auf
dem Erz selbst verkokt, so daß sich eine innige Verbindung und ein stark reagierendes
Aggregat von Erz und verkoktem Asphalt bildet.
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Es v erden besonders in der chemischen Industrie viel Stoffe in einer
Form gebraucht, in der sie in inniger Mischung und Berührung mit Kohle sind. Dies
trifft besonders für Oxyde zu, die reduziert werden sollen. Oxydhaltige Erze, z.
B. Aluminium-, Phosphor-, Titan- und Zirkoniumerze rrsw., sind gute Beispiele dafür.
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Bei den gewöhnlich verwendeten Verfahren für die Reduktion von Oxyden
in großem Maßstabe werden Oxyde und Kohle in üblicher Weise gemischt und erhitzt.
Die einzelnen Teilchen des Oxyds und der Kohle haben bei dem gewöhnlichen Verfahren
oft eine Größe von mehreren Zentimetern im Durchmesser, in manchen Fällen «erden
sie bis auf die Größenordnung von @ro mm zerkleinert. Diese Teilchen sind mitunter
lose vermischt, manchmal aber auch brikettieit.
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Es hat sich gezeigt, daß die Stoffe viel stärker und bei einer niedrigeren
Temperatur reagieren, wenn das Oxyd und die Kohle in inniger Mischung und Berührung
miteinander sind, so wie es beim Sättigen eines poresen oder absorbierender, Gxyds
mit Asphalt und darauffolgendem Karbonisieren des Asphalts in den Pc,ren des Oxyds
bei hoher Temperatur der Fall ist. Diese Imprägnierung eines oxydhaltigen Erzes
mit Kohle geschieht durch Einführen des Cxyds vorzugsweise in Teilchen von etwa
1 cm Größe oder kleiner in einen erhitzten waagerechten Drehofen, in welchem es
erhitzt und wenigstens teilweise mitAsphalt gesättigt wird, der bei der Ofentemperatur
flüssig ist. Die Erhitzung der Oxyd-Asphalt-Mischung wird dann bis zu einem Punkte
fortgesetzt, in dem der Asphalt wenigstens teilweise verkokt ist, alsdann wird dem
behandelten Stoff (d. h. der Oxyd-Asphalt-Mischung) während seiner Vorbewegung durch
den Drehofen hindurch an einer Anzahl aufeinanderfolgender Stellen weiterer Asphalt
zugeführt, wobei die Entfernung der Zuführungsstellen für den Asphalt so gewählt
ist, daß im wesentlichen ein Verkoken der einzelnen Asphaltbeschickungen erfolgt,
bevor die jeweils nächste Beschickung eingeführt wird. Der Grad des Verkokens zwischen
aufeinanderfolgenden Asphaltbeschickungen erfolgt jeweils bis zu einem Zustand,
in dem die behandelte Mischung nicht so stark an den Wänden des Ofens haftet, daß
die weitere Vorwärtsbewegung in dem Ofen verhindert wird. Das in der beschriebenen
Weise hergestellte Aggregat kann bei jeder gewünschten sinnvollen Temperatur aus
dem Drehofen entnommen werden, diese wird durch die Feuerung des Ofens gesteuert.
In dem Falle von Bauxit beträgt diese Temperatur etwa 815 bis 870°C, bei phosphorhaltigem
Gestein kann sie 1095"C oder etwas höher sein. Das Aggregat wird dann in eine andere
Vorrichtung eingebracht, in der es erhitzt, chloriert oder reduziert wird.
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Gemäß der Erfindung wird die Asphaltbeschickung in einem solchen Verhältnis
zu dem Oxyd gewählt, daß sich Kohlenstoff in den Poren des Oxyds in der erforderlichen
Menge absetzt, um das betreffende Oxyd zu reduzieren, und es hat sich ergeben, daß
ein Aggregat, das einen solchen Prozentsatz von Kohlenstoff enthält, am besten hergestellt
wird, wenn man den Asphalt in einer Anzahl von einzelnen Zusatzmengen hinzufügt
und verkokt, wobei jede Zusatzmenge so bemessen ist, daß dem Oxyd etwa 3 bis 8 °/o
Kohle zugeführt wird. Von diesen Zusatzmengen werden vorteilhafterweise die niedrigerenProzentsätze
an dem wärmeren Ende des Drehofens zugeführt. Auch die Entfernung der Zufuhrstellen
für die Z_usatzrnengen ist zweckmäßigerweise an dem kühleren Ende des Ofens etwas
größer als an dem wärmeren Ende, weil die teilweise gekühlten Gase mehr Zeit und
infolgedessen
auch eine größere Ofenlänge benötigen, um dieVerkohlung
durchzuführen, als dies für die heißeren Gase an dem Heizraumende des Ofens der
Fall ist.
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Der bei diesem Verfahren verwendete Asphalt kann innerhalb weiter
Grenzen in seinen Eigenschaften verschieden sein, vorzugsweise sollte für Oxyde
geringerer Porosität ein Asphalt von verhältnismäßig hohem Gehalt an festem Kohlenstoff
verwendet werden, und für Oxyde hoher Porosität ein Asphalt von verhältnismäßig
niedrigem Schmelzpunkt und geringerem Gehalt an festem Kohlenstoff. Bei diesem Verfahren
wurden mit Erfolg Vakuumturmrückstände von Baxterville- (Mississippi-) Rohöl, der
Bodensatz bei der Behandlung von gemischtem West-Texas-Rohöl, ostvenezolanischer
viskositätsgebrochener Petroleumteer und leichtere Asphalte verwendet. Die Baxterville-Rückstände
schwankten von einem 33o/oigen Rückstand mit 37,5 °/a Kohlenstoftrest und einem
Erweichungspunkt von 131'C (4STM-Verfahren D 36) bis zu einem 18°/oigen Rückstand
mit 55 °;'o Kohlerest und einem Erweichungspunkt von 227°C. Der West-Texas-Vakuumturm-Bodensatz
hatte einen 171,'oigen Kohlerückstand und einen Erweichungspunkt von 31'C, der ostvenezolanische
Petroleumteer hatte einen Erweichungspunkt von 177 bis 182'C, 55 °/o flüchtige Bestandteile
und 45 °/o festen Kohlenstoff. Wenn man Asphalte mit einem Erweichungspunkt von
93'C und darüber verwendet, ist es zweckmäßig, den ersten Teil des Asphalts mit
dem oxydhaltigen Erz als getrenntes Festmaterial in den Ofen einzuführen.
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Die Erfindung schafft ein Aggregat, das eine stark reagierende Vereinigung
von oxydhaltigem Erz und Kohle ist, und ein neues Verfahren zur Erzeugung dieses
Aggregates, ferner eine besonders wirksame Einrichtung zur ununterbrochenen Herstellung
desselben. Die bei der Aufbereitung des Aggregates benutzte Vorrichtung ist in der
Zeichnung gezeigt.
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Fig. 1 ist ein Querschnitt durch den Drehofen und die mit ihm zusammenarbeitenden
Teile; Fig.2 ist ein Querschnitt durch Fig. 1 in Richtung der Linien A-A
;
Fig. 3 ist ein Querschnitt durch den Drehofen und zeigt eine übliche Ausführung
von Längsleisten zum Durchrühren; Fig. 4 ist ein Querschnitt durch den Teil 31 und
die dazugehörigen Teile in Richtung der Linie B-B in Fig. 1; Fig. 5 ist eine ähnliche
Darstellung wie Fig. 1, zeigt jedoch eine abgeänderte Ausführung des Ofens.
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In Fig. 1 bezeichnet 1 einen liegenden (sogenannten waagerechten)
Drehofen, der sich von dem Feuerraum 2 am unteren Ende nach dem Schornstein 3 an
dem oberen Ende hin erstreckt. Zur Aufnahme des zu behandelnden Rohstoffes dient
ein Behälter 4, von dessen Boden ein Trichter 5 nach dem Beschickungsende des Ofens
1 hinführt. Die Zuführung des Materials aus dem Behälter 4 in den Ofen 1 wird durch
eine Schleuse 28 gesteuert. Der Ofen wird durch den Brenner 6 erhitzt, der in dem
Heizraum 2 nach hinten versetzt ist, so daß die Flamme den durch die nächstliegende
Düse 39 eingeführten Asphalt nicht entzünden kann. Der Ofen gibt an seinem unteren
Ende das behandelte Material in einen Aufnahmebehälter 9 ab, der von dem Heizraum
2 durch eine Wand 10 getrennt ist. Zur Steuerung des Materialflusses von dem Behälter
9 zu dem Elevator 12 dient eine Rinne 11, die von dem Boden des Aufnahmebehälters
9 nach dem unteren Teil des Elevators 12 führt, und eine Schleuse 29.
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Durch den Drehofen 1 hindurch erstreckt sich in dessen Längsrichtung
ein mit einem Mantel versehenes Rohr 31, dessen Enden durch den Schornstein 3 bzw.
den Heizraum 2 hindurchragen. Das Rohr 31 ist mit einer Reihe von Düsen 39 versehen
und trägt in seinem Inneren eine Anzahl von Leitungen 34 bis 37 (Fig. -1) kleineren
Durchmessers, die sich von der betreffenden Düse aus nach Köpfen 41 bzw. 42 hin
erstrecken. Das Rohr 31 ist an seinem Ende mit Flanschen 43 und 44 versehen, durch
die Dampf oder auch eine die Temperatur regelnde Flüssigkeit in das Rohr 31 und
um die vorerwähnten Leitungen 34 bis 37 herum geführt und in Umlauf gebracht werden
kann.
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Fig.2 ist ein Querschnitt durch den Drehofen in Richtung der Linie
A-A von Fig. 1. Sie zeigt das Austragende der Rinne 5 und das mit einem Mantel versehene
Rohr 31. Das Rohr 31 liegt parallel zu der Längsachse des Drehofens 1, und seine
Achse liegt an einer so hohen Stelle, daß der flüssige Asphalt aus der Düse 39 auf
den Inhalt des Ofens gespritzt werden kann. Die Längsachse des Rohres 31 kann etwas
seitlich von der senkrechten Achse des Ofens 1 liegen, um zu vermeiden, daß das
in Behandlung befindliche Material während der Drehung des Ofens auf das Rohr fällt.
Die ungefähre Oberfläche des aus Einzelteilchen bestehenden zu behandelnden :Materials
während der Drehung des Ofens entgegengesetzt der Uhrzeigerrichtung ist durch eine
gestrichelte Linie 30 angedeutet.
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Fig. 3 ist ein Querschnitt des Ofens 1, sie zeigt dessen mit einer
Reihe von Leisten 40 versehenen Innenraum. Die Leisten dienen zum Durchrühren der
Materialteilchen während des Transportes durch den Ofen. Ihr Vorhandensein an dem
heißeren Ende des Ofens hat gewisse Vorteile.
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Fig. 4 ist ein Querschnitt durch das mit dem Mantel versehene Rohr
31 in Richtung der Linie B-B von Fig.1. In dieser Darstellung bezeichnet die Zahl
31 das metallische Rohr und 32 einen schweren '.Mantel aus Isoliermaterial,
der das Rohr 31 vollkommen umgibt. 33, 34, 35, 36 und 37 sind eine Reihe von engeren
einzelnen Leitungen innerhalb des Rohres 31, die zu den einzelnen Düsen 39 führen
und an ihrem anderen Ende in Köpfen 41 bzw. 42 münden. An dieser Stelle sind sie
mit den nicht dargestellten Zuführleitungen in Verbindung. Die Zahl dieser Leitungen
wird durch die Erfordernisse des später zu erläuternden Verfahrens bestimmt. Jede
der Leitungen 33 bis 37 ist über ein Verbindungsstück 38 mit einer Düse 39 verbunden.
Fig. 4 zeigt die Art der Verbindung der Leitung 36 mit der zugehörigen Düse 39.
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Fig. 5 ist eine abgeänderte Ausführung des in Fig. 1 gezeigten Ofens.
Alle mit Ziffern bezeichneten Teile entsprechen denjenigen von Fig. 1, und der Unterschied
zwischen den Einrichtungen nach Fig. 1 und 5 besteht darin, daß der Heizraum 2 und
der Schornstein 3 bei Fig. 5 an den entgegengesetzten Enden des Ofens liegen als
bei Fig. 1. Bei der Vorrichtung nach Fig. 1 fließen das zu behandelnde Material
und die Verbrennungsgase im Gegenstrom, während sich bei der Vorrichtung nach Fig.
5 das zu behandelnde Material und die Verbrennungsgase in gleicher Richtung bewegen.
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Bei der Arbeit wird der Behälter 4 mit Oxyden, z. B. Bauxiterz, beschickt,
das eine Korngröße von ungefähr 1 cm und darunter hat. Es ist vorteilhaft, ein ziemlich
feines Erz zu verwenden. Der Ofen 1, der über einen Zahnkranz 8 angetrieben wird,
wird in Tätigkeit gesetzt, der Brenner 6 wird entzündet und erzeugt die erforderliche
Wärme. Das Erz aus dem Behälter 4 geht durch die Rinne 5 in den Drehofen 1. Eine
Schleuse 28 oder ein Sternrad oder eine sonstige ähnlich wirkende Einrichtung steuert
das Fließen des Erzes aus dem Behälter 5 in den Ofen 1.
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Wenn die Arbeit im Gang ist und sich ein Gleichgewichtszustand eingestellt
hat, wird das behandelte
Material mit der gewünschten Temperatur
über den Flansch 7 des Ofens 1 in den Behälter 9 ausgetragen, wobei die Austragtemperatur
durch die Feuerung gesteuert wird. Bei Bauxit darf die Temperatur gewöhnlich ungefähr
870' C nicht überschreiten, bei phosphorhaltigem Gestein kann sie bis auf 1150'
C steigen.
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Das aus dem Behälter 4 in den Ofen 1 eintretende Material kann die
Außentemperatur oder auch eine etwas erhöhte Temperatur haben. Bei Bauxit ergibt
ein unkalziniertes Erz ein etwas stärker reagierendes Aggregat.
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Der auf das Erz während des Durchganges durch den Ofen zu spritzende
Asphalt wird durch die Leitungen 33 bis 37 eingeführt, die sämtlich innerhalb des
Rohres 31 liegen. Dieses Rohr ist den hocherhitzten Gasen in dem Ofen 1 ausgesetzt,
und um eine Überhitzung und eine mögliche Verkokung des Asphalts in den Leitungen
33 bis 37 zu vermeiden, sind zwei zusätzliche Schutzvorrichtungen vorgesehen. Die
erste ist eine schwere, feuerfeste Isolierung 32 von geringstmöglicher Wärmeleitfähigkeit.
Die zweite ist ein ununterbrochener Fluß von Dampf oder einer temperaturregelnden
Flüssigkeit durch das Rohr 31. Die Flansche 43 und 44 dienen zur Aufnahme und Abgabe
der die Temperatur regelnden Flüssigkeit, die von einem der beiden Enden eingeführt
werden kann. Es kann aber auch vorteilhaft sein, die Flüssigkeit in einem geschlossenen
Rohr innerhalb des Rohres 31 an eine mittlere Stelle zu führen und von dort aus
nach den beiden Enden 43 und 44 hin abzugeben.
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Wenn ein Asphalt benutzt wird, der eine große Menge Kohlenwasserstoffdämpfe
in dem Ofen erzeugt, kann man auch eine oder mehrere nicht dargestellte Luftleitungen
in dem Rohr 31 anbringen und an verschiedenen Stellen des Heizofens Sekundärluft
zum Verbrennen dieser Dämpfe einführen. Hierbei kann Luft als temperaturregelndes
Gas in dem Rohr 31 verwendet werden, und letzteres selbst kann mit einem zweiten
Satz von Düsen versehen sein, die durch die Wand des Rohres 31 und die umgebende
Isolation 32 hindurchgehen, um den Durchtritt eines kleineren Teiles der temperaturregelnden
Luft in den Ofen zu ermöglichen.
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Es ist wünschenswert, die Menge des an den einzelnen Stellen zugeführten
Asphalts unmittelbar zu steuern, indem je ein besonderes Rohr der Gruppe 33 bis
37 für die einzelnen Düsen 39 vorgesehen ist. Die einzelnen Rohre sind mit je einem
der beiden Köpfe, 41 oder 42, verbunden und an Leitungen angeschlossen, die von
den Asphaltpumpen kommen. Die Anbringung je einer besonderen Leitung für die einzelnen
Pumpen zu den Düsen 39 ermöglicht eine volumetrische Steuerung des an den einzelnen
Düsen 39 zugeführten Asphalts und dient zur Verringerung der Möglichkeit des Verkokens
eines Teiles einer Leitung oder einer Düse 39, wie es leichter der Fall sein könnte,
wenn mehrere Düsen durch eine einzige Leitung bedient werden würden und dadurch
der Asphalt frei durch den Kanal des geringsten Widerstandes ausfließen würde. Um
die Erwärmung des Asphalts in den Leitungen 33 bis 37 durch die heißen Gase in dem
Ofen auf ein Geringstmaß zu bringen, ist es vorteilhaft, entsprechend der Entfernung
der Köpfe 41, 42 von den einzelnen Enddüsen 39 und dem Wärmegrad in dem Abschnitt
des Ofens, durch die die betreffenden Leitungen hindurchgehen, einige von den Leitungen
vom Kopf 41 und einige von dem Kopf 42 ausgehen zu lassen.
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In den Zeichnungen sind fünf Leitungen 33 bis 37 zur Beschickung mit
Asphalt vorgesehen. Diese besondere Zahl ist jedoch nicht unbedingt erforderlich.
Die richtige Anzahl für die jeweilige Anlage kann größer oder in einzelnen Fällen
auch kleiner sein, entsprechend der Ofentemperatur und der Verkohlungscharakteristik
des Asphalts. Die tatsächliche Zahl von Einführungsstellen von Asphalt in der Längsrichtung
des Ofens soll ausreichen, um die einzelnen Asphaltzusätze bezüglich der Menge so
zu beschränken, daß jeder einzelne Zusatz rasch von dem zu behandelnden Material
absorbiert und rasch verkokt wird, wodurch die Bildung einer großen klebrigen Masse
verhindert wird, die an den Wänden des Ofens haftet.
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Der geringste Betrag an Kohlenstoff, der in einem Aggregat erforderlich
ist, ist derjenige, der mit dem gesamten verbundenen Sauerstoff des Erzes reagiert,
um dieses zu reduzieren. Es hat sich gezeigt, daß die erforderliche Geringstmenge
an Kohle zur Reduzierung des Erzes eine Menge von 45 bis 60 kg Kohlenstoff auf 100
kg Sauerstoff in dem trockenen Erz ist. Bei der Herstellung des Aggregates kann
es notwendig sein, mehr Asphalt zu verwenden, als notwendig wäre, um den obigen
Betrag an Kohlenstoff zu erzeugen, wobei der zusätzliche Betrag für drei weitere
Kohleverbrauchsstellen dient, nämlich für das Abbrennen von Kohle in dem Ofen bei
Luftüberschuß, für das Abbrennen von Kohle bei Überführen von heißem Aggregat vom
Ofen zu den Vorrichtungen der weiteren Verarbeitung und für das Abbrennen des Kohlenstoffs
in der Endverarbeitung, z. B. dem Chlorieren, wenn Luft oder Sauerstoff in diesem
Stadium eingeführt wird, um die Reaktionstemperatur aufrechtzuerhalten oder für
andere Zwecke. Die Größe des Kohlebedarfs für die genannten drei weiteren Verfahrensschritte
wird ausschließlich durch die Arbeitsverhältnisse bestimmt, die durch den Arbeiter
geregelt werden, und der zusätzliche Kohlenstoff muß entsprechend den jeweiligen
Notwendigkeiten zugeführt werden. Bei einem phosphorhaltigen Gesteinsaggregat beträgt
die theoretisch erforderliche Kohlenmenge für die Umwandlung von Sauerstoff zu
CO, 0,8 kg pro kg P205 in dem Gestein mit zusätzlichem Kohlenstoff für die
Reduktion von beigefügten Oxyden, Wärmeverlust, Abbrand usw. In einem Ofen, der
mit im Gegenstrom zu dem zu behandelnden Material fließenden Verbrennungsgasen arbeitet
und bei dem die Gase den Ofen mit einer Temperatur von 315 bis 425' C verlassen
und in den Schornstein 3 eintreten, kann der höchste Prozentsatz an Asphalt, der
gewöhnlich am Schornsteinende des Ofens eingeführt werden kann, so groß sein, daß
etwa 3 bis 5 °/o Kohle dem Erz zugeführt werden, gemessen, nachdem der Asphalt durch
die Wärme in dem Ofen verkokt ist. Bei einer Temperatur von 925 bis 1095' C für
die in den Ofen an dem heißen Ende eintretenden Verbrennungsgase ist der höchste
Prozentsatz von Asphalt, der gewöhnlich von einer dicht an diesem Ende liegenden
Düse zugeführt werden kann, so groß, daß er dem zu behandelnden Material etwa 5
bis 7,5 °/o Kohlenstoff zufügt. Asphaltmengen, die zwischen den angegebenen Zahlen
liegen, werden über die mittleren Düsen zugeführt. Die Einführung von Asphalt an
den verschiedenen Düsen in kleineren Mengen als die eben angegebenen, ist nicht
zu beanstanden, jedoch kann eine solche Arbeitsweise eine größere Anzahl von Düsen
und auch eine zusätzliche Ofenlänge verlangen. Die Einführung von Asphalt an einer
Stelle in größeren Mengen, als rasch verkokt werden kann, erzeugt eine klebrige
Masse, die sich nicht in der Längsrichtung durch den Ofen bewegt und die Arbeit
ernstlich stört.
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Der geringste Betrag an Asphalt, der eingeführt werden muß, um eine
gewisse Menge von Kohle auf dem zu behandelnden Oxyd zu erzeugen, kann leicht aus
dem Gehalt an festem Kohlenstoff in dem jeweils verwendeten Asphalt berechnet werden,
aber dieser Betrag muß so weit vergrößert werden, daß ein Verbrennen von Kohlenstoff
infolge
irgendeines Luftüberschusses in den Verbrennungsgasen ermöglicht wird. Die Menge
des Luftüberschusses unterliegt lediglich der Regelung durch den Arbeiter, er sollte
auf einem Geringstmaß gehalten oder vollständig ausgeschaltet werden, selbst auf
Kosten eines etwas geringeren Wirkungsgrades im Brennstoffverbrauch.
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In Fig. 2 ist ein Rohr 31 mit einer Düse 39 gezeigt, die unmittelbar
abwärts gerichtet ist. In gewissen Fällen kann es vorteilhaft sein, das Rohr 31
entgegen der Uhrzeigerrichtung um 45° zu drehen, wobei die tatsächliche Lage so
gewählt wird, daß der Asphaltstrahl auf das zu behandelnde Material gerichtet ist
und immer von dem Ofenmantel entfernt gehalten wird.
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Die Verbrennungsgase von dem Brenner 6 zusammen mit den abdestillierten
flüchtigen Bestandteilen gehen von dem oberen Ende des Ofens aus in den Schornstein
3 und werden an die Außenluft abgegeben.
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Das in dem Ofen 1 hergestellte Material wird schließlich über den
Flansch 7 an dem unteren Ende des Ofens in den Aufnahmebehälter 9 abgegeben, der
von der Heizkammer 2 durch eine Wand 10 getrennt ist. Aus dem Behälter 9 wird das
Aggregat weiteren Vorrichtungen zur Weiterverarbeitung zugeführt. Die Weiterführung
des Aggregats aus dem Behälter 9 nach der Rinne 11 wird durch eine Schleuse 29 gesteuert.
Von dieser Stelle kann das Erzeugnis durch den Elevator 12 angehoben und über eine
Rinne 13 in eine Vorrichtung zur Weiterbehandlung abgegeben werden.
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Es ist gewöhnlich nicht erwünscht, die Einrichtung für die endgültige
Reduzierung oder die Chlorierretorte mit irgendwelchen größeren Mengen an Aggregatteilen
zu beschicken, deren größte Abmessung über 13 cm beträgt. Wenn das Aggregat aus
dem Ofen 1 in größeren Stücken entnommen wird, als erwünscht ist, um die folgenden
Verfahrensvorrichtungen zu beschicken, kann man in das System unmittelbar hinter
dem Behälter 9 eine Zerkleinerungsvorrichtung einschalten.
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Bei der endgültigen Verwendung des Aggregates nach der Erfindung ist
es mitunter vorteilhaft, etwas Luft oder Sauerstoff einzuführen, um eine beschränkte
Verbrennung vorzunehmen und dadurch Wärme zur Aufrechterhaltung der erforderlichen
Reaktionstemperatur zu erzeugen. Diese Arbeitsweise verbraucht natürlich einen Teil
des Kohlenstoffes in dem Aggregat, und wenn eine solche Anwendung von Sauerstoff
oder Luft vorgezogen wird, muß ein größerer Prozentsatz an Kohle in das Aggregat
einverleibt werden, damit genügend Kohlenstoff vorhanden ist, um eine vollständige
Reduktion des Erzes zu ermöglichen.
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Die vorstehende Beschreibung des Verfahrens betrifft eine Arbeitsweise,
bei der nur Bauxit und Asphalt zur Beschickung des Ofens 1 dienen. Das Verfahren
ist jedoch nicht darauf beschränkt, man kann vielmehr dem Ofen mit dem Erz auch
etwas feinzerkleinerten Koks zuführen, um auf diese Weise die Menge des erforderlichen
Asphaltes zu verringern. Wie bei anderen nach diesem Verfahren hergestellten Aggregaten
ist das mit Bauxit und Asphalt allein hergestellte Aggregat ungewöhnlich reaktiv,
da es eine größere Oberfläche, gemessen in qm;g, hat, als es bei anderen Verbindungen
von Oxyd und Kohlenstoff erreichbar ist, und es ist vorzuziehen, daß der gegebenenfalls
zugefügte Koks nur in einem geringeren Verhältnis zu dem steht, der aus dem Asphalt
in dem Ofen 1 gebildet wird. Gewöhnlich wird der Ofen mit einem kleineren Prozentsatz
an Koks und einem größeren Prozentsatz an oxydhaltigem Erz beschickt, wobei der
Koks im Gewicht ein Sechstel des Erzgewichtes nicht übersteigt.
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Es ist festgestellt worden, daß das in dem Ofen 1 erzeugte Aggregat,
das im Anschluß daran weiteren Verfahren unterworfen wird, durch einen höheren Grad
von Porosität und einer größeren Porenoberfläche gekennzeichnet ist, als es früher
auf diesem Gebiete bekannt war, und daß diese größere Porosität der Grund zu sein
scheint, daß es möglich ist, bei den erwähnten weiteren Verfahren Ergebnisse zu
erzielen, die früher unmöglich waren. Es wurden die Oberflächen gewisser Poren gemessen,
und zwar nach dem bekannten BET-Verfahren, das von Brunauer, Emmet und Teller entwickelt
und zuerst in dem -Journal of the American Chemical Society, Bd. 60, S.309 (1938),
veröffentlicht wurde, Dieses Verfahren wurde dann in - A treatise an Physical Chemistry
", herausgegeben von Hugh S. Taylorund Samuel Glasstone, im Jahre 1951 von D. van
Nostrard Company, New York, veröffentlicht (s. Bd. II, S. 602 ff.). Die Porenoberflächen,
die in der vorliegenden Sache gegeben sind, wurden unter Verwendung von Stickstoff
bestimmt.
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Mit Hilfe der besonderen Daten über die vorher unbekannte hohe Porenoberfläche
von Aggregaten aus Bauxit und Kohle, die in einem Ofen gemäß dem beschriebenen Verfahren
hergestellt wurden, sollen die folgenden wissenschaftlichen Ermittlungen angegeben
werden: Bauxit, dessen Analyse in dem ersten Ausführungsbeispiel angegeben ist,
hatte, wenn er bei einer Maximaltemperatur von 870` C kalziniert wurde, eine Porenoberfläche
von 121 qmg.
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Petroleumkoks, der gewöhnlich mit Bauxit und sonstigen Erzen zur Herstellung
der Beschickung von Chlorierretorten, Hochöfen, Reduzierretorten usw. verwendet
wird, hat gewöhnlich eine Porenoberfläche von weniger als 20 qmjg und oft weniger
als 10 qm,,g. Ein aus Bauxit und Asphalt nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren
hergestelltes Aggregat, das bei 870°C verkohlt wurde, hatte eine Porenoberfläche
von 206 qmrg. Diese Porenoberfläche ist um 700i', größer als diejenige von kalziniertem
Bauxit allein.
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Einige der soeben angegebenen Aggregate, die eine Porenoberfläche
von 206 qm-g haben, wurden bei 540'' C entzündet, und der Bauxitrückstand
hatte eine Porenoberfläche von 176 qm ;'g. Diese Porenoberfläche von 176 qm/g, verglichen
mit einer Porenoberfläche von 121 qm/g für den gleichen Bauxit, wenn er allein bei
870° C kalziniert ist, zeigt den Grad, in dem das Verfahren entweder die Poren des
Bauxits während der @"erkohlung öffnet und vergrößert oder das übliche Schrumpfen
selbst bei so niedrigen Temperaturen wie 870 C verhindert.
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Das obenerwähnte Bauxit-Iiohlegemisch-Aggregat mit einer Porenoberfläche
von 2C6 qm g wurde mit einem ostvenezolanischen viskositätsgebrochenen Teer mit
einem Erweichungspunkt (ASTM-Verfahren D 36) von 177 bis 182' C, mit 3,29
Oio Schwefel und 1,25 °" Stickstoff hergestellt. Eine Analyse zeigte kein Wasser,
0,09 ':, Asche, 55,0 0ö flüchtige Bestandteile und 44,91 1 , Kohle.
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Die Beschreibung des Verfahrens bis hierher bezieht sich auf eine
Arbeitsweise, bei der die Bewegung des zu behandelnden Materials und der Verbrennur:gsgase
im Gegenstrom erfolgt. Das Verfahren kann jedoch mit gleicher Wirkung und gleichem
Vorteil ausgeführt werden, wenp das zu behandelnde Material und die @'erbrennungsgase
in der gleichen Richtung strömen. Die notwendige Vorrichtung für diese Arbeitsweise
ist in Fig. 5 gezeigt, die bereits beschrieben wurde. Wenn, wie in Fig. 5, der Verbrennungsraum
an dem höheren Erde des Ofens gelegen ist und das zu behandelnde Material und die
Verbrenriurgsgase in der gleichen Richtung fließen, ist es möglich, das Erz während
einer sehr kurzen Bewegung auf eine erheblich höhere Temperatur zu bringen und dann
den Asphalt dem Erz bei einer Temperatur beizufügcn, die zu einer raschen Sättigung
und Verkokung beiträgt. Bei dieser Arbeitsweise ist eine geringere Möglichkeit zur
Bildung einer klebrigen Masse vorhanden,
die an der Wand des Ofens
haftet und zeitweise eine Bewegung in der waagerechten Längsrichtung behindert.
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Im Gegensatz zu den hohen Temperaturen von 870 bis 980°C, die für
die Chlorierung von Bauxit- und Koksmischungen früher erforderlich waren, werden
die Aggregate, die gemäß der Erfindung hergestellt werden, etwa 400 'o rascher bei
einer Temperatur von 540'C chloriert, als eine mechanische Mischung von feinverteiltem
Bauxit und Koks bei einer Temperatur von 845°C chloriert werden würde. Bei der Arbeit
bei 540°C wurde das Aggregat gemäß der Erfindung mit einer Umwandlung von 83
% des Bauxits und 99 °/o des Chlors chloriert, und es besteht alle Wahrscheinlichkeit,
daß 100 % des Bauxits umgewandelt worden wären, wenn man die Chlorierung
fortgesetzt hätte. Im Gegensatz zu diesen Ergebnissen war man, obwohl die Arbeit
in der gleichen Weise durchgeführt wurde, nicht in der Lage, eine Umwandlung von
mehr als 56 % des Bauxits zu erhalten, wenn bei einer Temperatur von 845°C
und mit einer mechanischen Mischung von feinverteiltem Bauxit und Koks gearbeitet
wurde, und man war nicht in der Lage, eine Umwandlung von mehr als 68
% des Bauxits in der gleichen Mischung zu erhalten, wenn bei 980°C chloriert
wurde. Versuche zeigen, daß das Aggregat gemäß der Erfindung bei Temperaturen im
Bereich von 705 bis 760'C so gut chloriert, wie es beim Chlorieren nach den früher
bekannten Verfahren erst bei 980°C möglich war.
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Die verhältnismäßig niedrigen Temperaturen, die bei dem Verfahren
verwendet werden, sind nicht etwa Temperaturen, die benutzt werden können, sondern
die benutzt werden sollen. Zur Erläuterung dieses Punktes wurden besondere, aber
identische Proben von Bauxit-Kohle-Aggregaten während einer Zeit von 16 Stunden
in einer Stickstoffatmosphäre bei Temperaturen von 845, 980, 1150 und 1315'C gehalten.
Mit X-Strahlen durchleuchtete Teile dieser Proben zeigten nur die Anwesenheit von
Alpha-A1203 in den Proben, die bei einer Temperatur von 1150 und 1315'C gehalten
wurden. Eine Probe, die bei 980=C gehalten wurde, enthielt Alpha-A1203 und einige
übergangsformen von A1203 zwischen der Gamma-und Alphaform. Die Probe von A1203,
die auf 845°C erhitzt war, war hauptsächlich von der Gamma- und Chiform. Die Alphaform
der Tonerde hat eine sehr geringe Reaktionsfähigkeit, und diese nimmt über die Gamma-und
Chiform rasch zu.
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Ein weiteres Erz-Kohle-Aggregat, das nach dem Verfahren hergestellt
wird, ist ein Aggregat von phoslhorhaltigem Gestein und Kohle für die Reduktion
durch das Hochofenverfahren. Dieses Aggregat macht es möglich, das phosphorhaltige
Gestein bei Temperaturen in der Nähe von 1%60`C zu reduzieren, eine Arbeitsweise,
die bisher noch nicht durchgeführt worden ist. Dieses Aggregat macht auch eire erheblich
höhere Ausbeute an Phosphor möglich, als sie bisher bei Hochofenverfahren erreichbar
war. Die Temperatur von annähernd 1260`C in dem reduzierenden Ofen ist etwa 22'0
bis 390'C niedriger, als es bisher bekannt war. Es ermöglicht eine Reduktion von
phosphorhaltigcm Gestein bei einer Temperatur, bei der die anderenBcstandteile des
phosphorhaltigen Gesteins noch nicht schmelzen, ur:d die Entfernung solcher Materialien
als Rückstand aus dem Hochofen in trockener körniger Form. Es hat sich gezeigt,
daß die Reduktion von phosphorhaltigem Gestein in Form eines Aggregats, wie es oben
beschrieben wurde, bei den angegebenen Temperaturen bei einem Gestein mit hchem
und mittleren Phosphorgehalt ohne wesentliche Reduktion der Eisenoxydbestandteile
des Gcstcirs urd ohne jede meßbare Erzeugung vcn Phosphoreisen durchgeführt werden
kann. Die Ausschaltung von Phosphoreisen als Prcdukt ergibt etwa 7 °/a mehr an verfügbarem
Phosphor für die Umwandlung in Phosphorsäure, und der körnige feste Rückstand aus
dem Verfahren enthält etwa 7 % weniger Phosphor, als es bei den üblichen Hochofenreduktionsverfahren
von phosphorhaltigem Gestein üblich war. Diese verringerten Verluste ergeben eine
Zunahme der Ausbeute an Phosphorsäure um etwa 15 °l0.
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Folgendes ist ein typisches Beispiel für das Aggregat nach der Erfindung
und dessen Herstellungsverfahren. Ein waagerechter Drehofen der vorher beschriebenen
Art wurde mit 1270 kg Bauxit beschickt, der 32,7 °/o H20 enthielt und dem über Leitungen
33 bis 37 und die Düse 39 mit etwa 1500 bis 1540 kg/Std. West-Texas-Pech zugeführt
wurde. Der Bauxit hatte auf wasserfreier Basis folgende Analyse
A1203 . . . .. . . . . . . . . . . . . 90,8 Gewichtsprozent |
Ti02.................. 1,7 " |
Si 02 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4,5 " |
Fe203................. 1,0 " |
DasWest Texas-Pech hatte die folgenden Eigenschaften: |
Spezifisches Gewicht 16' C;16' C . . 0,9965 |
Erweichungspunkt (ASTM D 36).. 31 ' C |
Schwefel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2,26 Gewichtsprozent |
Kohlenstoff ................... 16,76 " |
Destillation |
Anfänglicher Siedepunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 219'C |
2°,/o Destillat erhalten bei .................. 326°C |
5°%o Destillat erhalten bei .................. 509°C |
10 °/o Destillat erhalten bei . . . . . . . . . . . . . . .
. . . 530'C |
20 % Destillat erhalten bei . . . . . . . . . . . .
. über 540'C |
Das Aggregat wurde in einem waagerechten Drehofen von einer Länge von 18 m und einem
Durchmesser von 1,8 m hergestellt. Der Bauxit wurde darin während der ersten 1,5
m seiner Vorbewegung in dem Ofen ohne Asphalt erhitzt, und in einer Entfernung von
1,5 m von dem Eintritt erhielt er den ersten Strahl von flüssigem Asphalt. Es wurden
dann vier zusätzliche Asphaltstrahlen zugeführt, die in Entfernungen von 6, 10,
13 und 16 m von der Eintrittsstelle des Bauxits lagen. Die letzte Stelle war 2 in
von dem Austrittsende des Ofens entfernt. Der Asphalt drang vollständig in den Bauxit
ein, und bei einer Ofentemperatur von 1140'C. und einer Austrittstemperatur der
Gase aus dem Ofen von 370'C waren die einzelnen Asphaltzusätze gut verkohlt, bevor
der jeweils nächste Zusatz eingebracht wurde. Die Aufenthaltsdauer des Materials
in dem Ofen war ungefähr 45 Minuten. Das voll verkohlte Aggregat enthielt 60 kg
Kohle auf 100 kg Sauerstoff in dem Erz. Der Abbrand in dem Ofen war ungefähr 7 0;!o.
-
Das in der angegebenen Weise hergestellte Aggregat verließ den Ofen
bei einer Temperatur von 890` C und wurde dann bei einer Temperatur von 755'C in
eine Chlorierretorte eingeführt. Die Retorte wurde mit trokkenem Chlorgas bei atmosphärischer
Temperatur beschickt, und die Chlorierung erfolgte gleichmäßig mit einer sehr zufriedenstellenden
Geschwindigkeit. Das in der Chlorierretorte erzeugte wasserfreie Aluminiumchlorid
wurde kondensiert und besonders gewonnen. Das Bauxit-Koks-Aggregat, das gemäß der
Erfindung hergestellt wurde-, chlorierte gleichmäßig bei einer Temperatur von ungefähr
760'C, trotz der Tatsache, daß eine Chlorierung von mechanischen Mischungen von
Bauxit und Kohle immer Mindesttemperaturen von 870 bis
WO' C
erforderte. Die
gleich hohen Temperaturen von 870 bis 9S0'C waren immer erforderlich, um Briketts
von feinem gemahlenem Bauxit ur:d Kohle zu chlorieren.
Ein zweites
kennzeichnendes Beispiel für das Aggregat und dessen Herstellungsverfahren ist folgendes:
Das Rohmaterial war phosphorhaltiges Gestein von etwa folgender Analyse:
Al. 03 ...... . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . 2,280 ; o |
P05 ............................. 31,06010 |
Fee 0;3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 1,62 0%0 |
F ................................ 1,920,1/o |
Ti O@ ............................. 0,56';'0 |
SiO!! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 6,67 01/o |
Zr O. .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 6,82 00 |
Ca0 ............................. -19,000,I" |
Ein waagerechter Drehofen der vorher beschriebenen Art wurde mit 1365 kglStd. des
oben angegebenen phosphorhaltigen Gesteins beschickt, und durch die Leitungen 33
bis 37 und die Düsen 39 wurden 520 kg; Std. eines 170loigen Rückstandes von Bazterville-
(Mississippi-) Rohöl zugeführt, wobei die 170joigen Rückstände die folgenden Eigenschaften
hatten:
Spezifisches Gewicht der Festkörper |
25-CJ25'C ............................. 1,153 |
Erweichungspunkt (AST-31 D 36) . . . . . . .
. . . . . 227- C |
Schwefel, Gevichtsprozent . .. .. ... . .. . . .. . . 5,53 |
Kohlerückstand .......................... 55,2 |
Ungefähre Analyse |
flüchtige Bestandteile . . . . . . . . . . 50,9 00 |
fester Kohlenstoff.............. 4901/o |
Asche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
0,1l(1110 |
V ........................... 186 Teile 1000000 |
Uli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Teile 1000000 |
Cu ........................... 2 Teile 1000000 |
Fe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
-Teile 1000000 |
Der Kohlegehalt von 520 kg Asphalt war 255 kg. Der Abbrand im Ofen war ungefähr
70,f., und es waren 236 kg hohle in dem Aggregat, das nach dem Hochofen gefördert
wurde. Dieser Betrag ergab sich auf der Basis von 0,55 kg hohle für je 1 kg der
in den Teilen des reduzierten Erzes enthaltenen 675 kg Sauerstoff, zuzüglich 150
kg Kohle'Std. für Abbrand in dem Hochofen.
-
Das Aggregat wurde in einem waagerechten Drehofen hergestellt, dessen
Länge 18 m und dessen Durchmesser 1,8 m betrug. Das phosphorhaltige Gestein wurde
darin in den ersten 1,5 m ohne Asphaltzusatz erhitzt, und nach einem Vorschub von
1,5 m von dem Eintrittsende erhielt es den ersten Strahl von flüssigem Asphalt.
Es wurden dann vier zusätzliche Strahlen von Asphalt zugeführt, die in Entfernungen
von 6, 10, 13 und 16 m von dem Beschickungsende des Ofens lagen, wobei die letzte
dieser Stellen 2 m vor dem Austrittsende des Ofens lag. Der Asphalt bedeckte das
phosphorhaltige Gestein, drang in dieses ein und war mit ihm dicht verbunden. Bei
einer Feuerungstemperatur von 1115° C und bei einer Temperatur der den Ofen verlassenden
Gase von ungefähr 370° C waren die einzelnen Asphaltzusätze gut verkohlt, bevor
der jeweils nächste Zusatz beigefügt wurde. Die Aufenthaltsdauer des Materials in
dem Ofen war ungefähr 45 Minuten.
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Das Aggregat verließ den Ofen bei einer Temperatur von 1000°C und
wurde bei einer etwa 55° niedrigeren Temperatur in den Hochofen aufgegeben. Es wurde
weder Kieselerde noch anderes schlackenbildendes Material zugefügt. Mit Hilfe eines
heißen Gebläses wurde die Temperatur des Hochofens möglichst nahe bei 1260° C gehalten,
und es wurden keine Ablesungen gemacht, die mehr als 17- C über oder unter dieser
Temperatur lagen. Obwohl die Reduktion von phosphorhaltigem Gestein im Hochofen
gewöhnlich Temperaturen von 1540 bis 1650"C erforderte, war es möglich, eine gleichmäßige
und zufriedenstellende Arbeit des Hochofens bei diesen niedrigen Temperaturen zu
erzielen. Der Phosphorgehalt des phosphorhaltigen Gesteins war fast vollständig
reduziert. Der Phosphorgehalt des aus dem Hochofen ausfließenden Materials wurde
dann oxydiert, zu H,PO, hydriert, kondensiert und besonders gewonnen.
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In der Beschreibung wurde der Ausdruck "waagerechter Drehofen, für
eine Ofenart verwendet, die gewöhnlich diese Bezeichnung trägt, obwohl tatsächlich
derartige Öfen geneigt sind und das Beschickungsende an einer etwas höher gelegenen
Stelle haben als das Austrittsende.
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Hinter der Bezeichnung -Spezifisches Gewicht., in den Tabellen enthaltene
Gradangaben 25- C 25- C bedeuten, daß die Dichten des betreffenden Stoffes und des
Wassers bei der betreffenden Anzahl von Wärmegraden bestimmt sind.