DE1814557B2

DE1814557B2 - Vorrichtung und verfahren zur elektrothermischen durchfuehrung chemischer reaktionen

Info

Publication number: DE1814557B2
Application number: DE19681814557
Authority: DE
Inventors: Robert West Vancouver British Columbia Bainbridge (Kanada)
Original assignee: Ionarc Smelters Ltd., N.P.L., Vancouver, British Columbia (Kanada)
Priority date: 1967-12-14
Filing date: 1968-12-13
Publication date: 1973-05-17
Also published as: NO130813B; SE364316B; DE1814557A1; ES361396A1; GB1248595A; DE1814557C3; FR1597836A; ZM17668A1; ES379626A1; IL31206A; NO130813C; OA03007A; IL31206A0; BE725480A

Description

10. Verfahren nach Anspruch 8 und 9, dadurch schrift 821 836 und britischer Patentschrift 1 070 806 gekennzeichnet, daß das in der kontrollierten beschrieben. Doch fehlt den aus diesen Druckschriften Atmosphäre vorhandene oder dem elektrischen bekannten Verfahren die Verwendung eines Licht-Lichtbogen zugeführte Gas Chlor, Wasserstoff. 65 bogens mit hoher Intensität und einer dadurch ausge-Sauerstoff, Erdgas oder Luft ist. bildeten Schwanzflamme bzw. die kontinuierliche Verfahrensweise, wie sie für das Verfahren gemäß der vor-

liegenden Erfindung charakteristisch ist.

I 814 557

Weiterhin ist ζ. B. aus der USA.-Patentschiiit systeme, bei denen Plasmabögen verwendet werden,

1016 843 die Verwendung eines Lichtbogens mit waren normalerweise auf gasförmige Reaktionsstoffe

hoher Intensität für metallurgische Prozesse bekannt. im Bereich der Glimmentladung beschränkt.

Bei solchen bekannten Verfahren ist es jedoch not- Durch die Erfindung wird es erstmals wirtschaftlich

wendig, das zu verarbeitende Material in die Elektro· 5 ermöglicht, feste oder flüssige Reaktionsstoffe in der

den selbst einzuarbeiten, was wesentlich umständlicher Zone hohen Wärmeinhalts eines Plasmabogens einer

und teurer als die Verfahrensweise ist, wie sie der vor- chemischen Reaktion zuzuführen und realistische

liegenden Erfindung zugrunde liegt. Durchsätze und Ausbeuten zu erzielen. Der Erfolg der

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfm- vorliegenden Erfindung kann der Tatsache zuge-

dung geht man so vor, daß man mindestens einen Teil io schrieben werden, daß in einer Zone hohen Wärme-

des Trägergases vorionisiert. inhalts eines elektrischen Lichtbogens hoher Intensität

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, die Aus- Elektrodenmaterial verdampft wird. Die Verdampfung

gangsstoffe mit einem in der kontrollierten Atmo- der Elektroden scheint eine Selbstwaschung zu be-

sphäre vorhandenen oder dem elektrischen Lichtbogen wirken und vermeidet frühere Verstopfungs- und Ver-

zugeführten Gas umzusetzen, wobei bevorzugt wird, 15 unreinigungsprobleme. Zwar heißt es in USA.-Patent-

daß das in der kontrollierten Atmosphäre vorhandene schrift 2 616 843 und USA.-Patentschrift 3 099 614,

oder dem elektrischen Lichtbogen zugeführte Gas daß eine Verfahrensweise mit hoher Intensität verwen-

Chlor, Wasserstoff, Sauerstoff, Erdgas oder Luft ist. det werden könnte, aber es bestand die Ansicht, daß

Somit wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Erz in die Elektrode eingearbeitet werden muß, um

durch den elektrischen Lichtbogen mit positiver 20 einen ausreichenden Kontakt des Erzes mit der Bogen-

Widerstandscharakteristik und einer Schwanzflamme zone zu erzielen.

eine längliche Zone hohen Wärmeinhalts bei gleichem Im einzelnen umfaßt die erfindungsgemäße Vor-

Druck erzeugt, in welcher die elektrothermischen richtung einen Generator für einen Bogen hoher Inten-

Reaktionen stattfinden. sität, der eine längliche Zone hohen Wärmeinhalts er-

So kann z. B. bei der Vorrichtung der Erfindung ein 25 richtet; eine Einrichtung für die Erzielung einer konelektrischer Lichtbogen zwischen kohlenstoffhaltigem trollierten Atmosphäre um den genannten Bogen, so Elektrodenmaterial errichtet werden, und das Elektro- daß eine Materialströmungsbedingung vom Bogen denmaterial wird überbelastet, um einen Lichtbogen zu durch die Zone hohen Wärmeinhalts errichtet wird; errichten, der eine positive elektrische Widerstands- eine Einrichtung zum Einspritzen des zu bearbeitenden charakteristik hat und eine längliche Zone hohen 30 Materials — von dem mindestens ein Teil flüssig oder Wärmeinhalts ausgehend vom Hauptbogen entlang fest ist — in den Bereich des Bogens und eine Einrichder Schwanzflamme erzeugt. Teilchenförmiges Erz tung für die Gewinnung der gewünschten Produkte in wird an einem Punkt vor der Bogenzone eingeführt, so stabiler Form. Eine verbesserte Ausnutzung der Erze daß es durch die Bogenzone und die Schwanzflamme kann durch das erfindungsgemäße Verfahren und die entlang der Achse der Zone hohen Wärmeinhalts 35 erfindungsgemäße Vorrichtung erzielt werden. Die erströmt, worauf die Produkte dann in einem Fallen- findungsgemäße Vorrichtung kann für viele Reaksystem gesammelt werden, so daß sie in einer für tionen verwendet werden, von denen die folgenden weitere Prozesse geeigneten Form verbleiben. Im allge- Umsetzungen typisch sind:
meinen wird das Erz für die Einführung in und für den
Durchgang durch die Zone hohen Wärmeinhalts in ein 4°
Transportgas aufgenommen. Metalloxide in Metall,

Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungs- Metalloxide in Metallhalogenide,

gemäßen Vorrichtung wird die thermische Zone hohen Metallhalogenide in Metall,

Wärmeinhalts in einer Halogen oder Halogenid ent- Dissoziation von komplexen Mineralien

haltenden Atmosphäre errichtet, und teilchenförmiges 45 . ... , .

Erz wird durch den Lichtbogen eingeführt, so daß eine ⁱⁿ einfache Verbindungen,
chemische Reaktion stattfindet, die das Platin besser

für eine Trennung durch bekannte technische Metho- Wenn Erze oder Konzentrate in der normalen den geeignet macht. Bei einer anderen Betriebsart wird Weise zur Gewinnung des Hauptmetallbestandteiles die Zone hohen Wärmeinhalts in einer reduzierenden 50 verarbeitet werden, dann wird die Gangart, welche geAtmosphäre erzeugt, und ein Nickel und Kobalt ent- wohnlich aus den Oxiden und Silikaten von Metallen, haltendes Erz wird duich den Lichtbogen in die Zone wie Eisen, Aluminium und Magnesium besteht und hohen Wärmeinhalts eingeführt, wodurch eine chemi- die einen hohen Prozentsatz des Gesamtgewichts aussehe Reaktion stattfindet, die die Metalle besser für machen kann, als metallurgische Schlacke oder in eine Gewinnung durch technische Methoden geeignet 55 anderer Form eines Abfallrückstandes gewonnen, macht. Durch das hier beschriebene Verfahren können zu-

Es sind schon Versuche gemacht worden, Erze so zu sätzlich zu dem Hauptmetall größere Mengen mineschmelzen, daß ein Lichtbogen innerhalb einer Plasma- ralischer Verbindungen, Metalle und Gangmineralien fackel endet, Plasma bildendes Gas durch den Bogen- verändert und in reine Verbindungen mit kommerbereich hindurchgeblasen wird und aus der Fackel als 60 ziellem Wert überführt werden, wie z. B. A1₂O_?, MgO, freies Plasma austritt. Der Erfolg war jedoch gering, amorphes SiO₂ oder metallisches Al und Mg.
da es schwierig war, feste oder flüssige Teilchen in die In den Zeichnungen zeigt

thermische Zone hohen Wärmeinhalts oder in den F i g. 1 ein Diagramm eines typischen Entladungs-

Bogenbereich ohne Verstopfung der Reaktionszone Verhaltens,

oder Verunreinigung der Elektroden einzuführen oder 65 F i g. 2 eine schematische Ansicht einer Ausfüh-

die Reaktionsstoffe in der Zone hohen Wärmeinhalts rungsform der Vorrichtung,

lange genug zu halten, bis die gewünschte Reaktion F i g. 3 ein Schema eines Systems, welches die Vorerzielt wurde. Die bisher brauchbaren Reakiions- richtung von F i g. 2 enthält,

Fig. 4 ein ArbiitJibl aufschema für eine Ausführungsform des Verfahrens, das sich der erfindungsgemäßen Vorrichtung bedient,

F i g. 5 ein B ockschaltbild zu dem Arbeitsablaufschema nach F ig. 4 mit elektrischen Einrichtungen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird insbesondere unter Bezugnahme auf Lichtbogen hoher Intensität beschrieben. Lichtbogen hoher Intensität unterscheiden sich von anderen Formen der Bogenent-Iadüngen, wie aus F i g. 1 hervorgeht Das Diagramm zeigt entsprechende Entladungscharakteristiken (Stromdichte in Abhängigkeit vom Verhältnis Druck/Feldstärke) und beruht auf der Veröffentlichung »Chemical Kinetics of Gas Reaktions« von V. N. Kondrat i e ν, herausgegeben von Addison and Wesley, 1964. Derartige Lichtbogen hoher Intensität werden bei sehr hohen Stromdichten erhalten, was im Gegensatz zu beispielsweise stillen Entladungen steht, die bei niedrigen Stromdichten erzeugt werden.

In F i g. 2 und 3 ist ein Ofen gemäß vorlieg Erfindung zusammen mit der damit verbundenen einrichtung gezeigt

Der allgemein mit 1 bezei
Reaktionskammer 2, welche vorzugsweise korrosionsbeständigen Material, wie z. B. Stahl hergestellt ist und in welche Elektrodenhalter und 4 durch Gasdichtungsringe 5 und keramische Isolierscheiben 6, die sich in einem Deckel 12 befinden, vorspringen. Die Elektrodenhalter 3 und 4 werden vorzugsweise mit einem Medium über den Eintritt 7 und den Austritt 8 abgekühlt und sind in Abhängigkeit von der vorgesehenen Stromzufuhr aus irgendeinem guten elektrischen Leiter, z. B. Wolfram, Kupfer-Tellur, Kupfer, Aluminium oder
nationen daraus hergestellt

und 4 können sowohl vertikal ».ο ~.

um während des Betriebes den Elek-

dTenen oder üie^

sind in den Elektrodenhaltern 5 una * α Mittel, wie z. B. Klammern oder Schrauben D«esig und während des BJ«b«™^tad«Sggntor genannten Elektroden

vorgang und hetern aucl^' J^ tionsimtte fur die züge uhrte^

einfach als KoWenoMd «

elektroden sind ur ^^f^^TElektro

in gewissen ^Ρ"5"^^η"?1ΓαΠ£ beschrietenen

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Gemäß der

Gleichstrom-S A

denform und der zur

^zSmrktr_O sSenden Energie_ite Afüh tritt wodurch ein Konunuieruwi lcuomiw. „„&'——-Hauptenergiezuführung sichergestellt wird. Das genannte Trägergas wird^^eckmäß.gerweise in eme Vorionisierungseinheit, die ebenfa Is im Deckel 12 b festigt ist, vorionisiert. In F ι g. 2 ist diese Einheit du Zweckmäßigkeit halber oberhalb der GraphitelekfroS 9 angeordnet, aber es wird darauf hingewiesen daß dieser Ofen in einer horizontalen Ebene wie auch in einer vertikalen Ebene betrieben werden kann

Die Vorionisierungseinheit 14 besitzt einen geerdeten Kontrollknopf 17, der in einer keramischen Isohe scheibe 6 befestigt und mit einer äußeren Wasserkuül schlange 18 ausgerüstet ist. Eine ringförmige wasserajkühlte Elektrode 19, die vorzugsweise aus Wolfram besteht, bildet das untere Ende des Kontrollknopfes 17. Eine Elektrode 20, die ebenfalls vorzugsweise au. Wolfram besteht, ist in einem Halter 21 vertikal über dem Ring dei genannten wassergekühlten Elektrode w befestigt und mit einem Höhenjustierungsknop ZZ ausgerüstet, der den Halter 21 in einem Gewindeteil ZJ dreht, um die Lage der Elektrode 20 zu justieren Energie wird der Elektrode 20 über eine Leitung z* von einer nicht gezeigten Energiequelle zugeführt bin Bogen wird zwischen den Elektroden 19 und ZU geschlagen, und ein Gas, vorzugsweise ein inertes Oas, wird durch die Bogenzone25 vom Einlaß 26 eingeführt und erzeugt ein Plasma 30 niedrigerer Intensität Argon und Stickstoff sind besonders geeignete Oase für die Vorionisierungseinheit. Eine Kühlung mit einem Medium wird der Elektrode 19 über einen bintritt27 und einen Austritt 28 verschafft Wenn die Bogenzone 25 stabilisiert ist, dann wird ein Trägergas für das Hauptplasma zwischen den Graphiteleictroden 9 durch die Eintritte 29 zu dem Plasma 30 eingeführt. Der Strom des vorionisierten Plasmas 30 wird oberhalb der Hauptelektroden gerichtet in den Hauptbogen 15 hoher Intensität hineingetragen, der zwischen den Spitzen der Graphitelektroden 9 erzeugt wird. 40 Wenn der vorionisierte Strom des Plasmas 30, der Hauptbogen 15 und die Schwanzflamme 16 stabilisiert sind, dann kann Erz über die Eintritte 29 in den Oten eineef ührt werden. Das Trägergas kann inert sein.; bevorzugt wird jedoch Erdgas, Luft oder Wasserston. « Erz oder andere feste oder flüssige Reaktionsstotte werden in einem herkömmlichen Zuführungstrichter gelagert, der mit einer herkömmlichen Zuführung ausgestattet ist, der das Beschickungsmaterial aus dem Trichter mit einer stetigen, kontrollierten und be-50 stimmten Geschwindigkeit abzieht .

Nach dem Durchgang durch das vorionisierte Plasma niedriger Intensität, den Hauptbogen la una die Schwanzflamme 16 werden die Reaktionsstoffe in der Reaktionskammer 2 abgekühlt. Die Reaktions-55 kammer 2 besitzt parallele Seiten 35 und einen Kegel" stumpf 36 und kann eine innere und äußere Kühleinrichtung aufweisen (Zum Beispiel zerstäubtes Wasser

?
(heser

keiten, die

Bogens
eigneten

weise i

g
dem

lagert

SZS.* ΪΪΧ *B die Reaktionskammer ein aus-Schwierig-6o reichendes Volumen aufweist, so daß sie die SchwaiJ-flamme 16 aufnehmen kann und eine ausreichende Serials ge- Verweilzeit für die Beendigung der Reaktionen bei mindest teil- ausreichender Kühlung erlaubt Ein herkömmlicher ^ ^ Hochleistungsnaßwäscher 38 (F i g. 3) kann direkt mit

roen κ "^ _{em AustUtt37 der ReaMonskatnmer} verbunden

S^eTcSastüber- wden. Dieser Wäscher hat einen dreifachen Zweck: ?^^ minde- Er führt Warme aus dem ausströmenden Material ab,

werden, sammelt feste Produkte und nimmt lösliche Produkte

der chemischen Reaktionen auf. Gegebenenfalls kann rechtzuerhalten, der ausreicht, eine positive Widerein zusätzlicher Sammelkreislauf verwendet werden, Standscharakteristik am Hauptbogen 15 zu erzeugen, der einen magnetischen Separator (schematisch bei 40 Wenn Mehrfachelektroden verwendet werden, dann angezeigt) und einen Beutelsammler 42 aufweist. kann eine Vorionisierung des Trägergases und eine Vor-

Bei der in F i g. 2 und 3 gezeigten Ausführungsform 5 erhitzung der Beschickung unnötig sein, und deshalb wird ein einziges Elektrodenpaar verwendet, aber für kann in einigen Fällen die Vorionisierungseinheit wegeinen Fachmann ist es selbstverständlich, daß mehrere gelassen werden. In ähnlicher Weise muß es nicht unbe-Elektroden verwendet werden können. Grundlegend dingt nötig sein, dem Hauptbogenstrom einen Strom ist der Betrieb solcher Ausfühiungsformen der gleiche zu überlagern, um den Bogen zu stabilisieren,
wie derjenige bei F i g. 1 und 2 und er kann jedenfalls io Es ist möglich, extrem lange Verweilzeiten für die mit einer Gleichstrom- oder Wechselstromquelle durch die Flamme hindurchströmenden Materialien zu durchgeführt werden. erzielen. Weiterhin kann der Ionisationsgrad in der

Beim Betrieb wird das Beschickungsmaterial, wie Schwanzflamme eines Plasmas hoher Intensität bis zu

z. B. ein Erz, dadurch aufbereitet, daß die Teilchen- 10 bis 40% betragen, was im Gegensatz zu Bögen

größe derart herabgesetzt wird, daß 100% durch ein 15 niedriger Intensität steht, wo die Ionisation kaum 5%

Sieb mit 0,59 mm Maschenweite hindurchgeht. Dies überschreitet. In diesem hoch energetischen Zustand

kann durch eine Standarderzaufbereitungstechnik er- rekombinieren sich die freien Ionen gemäß den nor-

folgen. Daran schließt sich eine vollständige Trock- malen Gesetzen der Kinetik und der Thermodynamik,

nung an. wobei sie versuchen, den niedrigsten Energiezustand zu

Die aufbereitete Beschickung wird in einem Be- 20 erreichen. Einige Reaktionen können in der Plasmaschickungstrichter 31 mit gleichförmig gesteuerter Aus- zone sehr hohen Wärmeinhalts stattfinden, aber andere trittsgeschwindigkeit gelagert, die durch ein System können erst dann stattfinden, wenn sich die Reaktionsvon Drehventilen 32 bemessen wird. Die Drehventile stoffe unter die Dissoziationstemperatur des gedienen als Gasdichtung, um ein Zurückblasen von wünschten Produktes beim Verlassen der Zone hohen Ofengasen zu verhindern. Die Beschickung wird dann 25 Wärmeinhalts abkühlt. In vielen Fällen kann das freie in eine Mischvorrichtung 34 eingeführt, in der sie mit Metall, in anderen Fällen können einfache Metallvereinem Trägergas gemischt wird, das über einen Einlaß bindungen aus komplizierteren Ausgangsmaterialien 33 eintritt. Das Trägergas kann inert sein, z. B. Stick- gebildet werden, die dann durch übliche pyrometallurstoff oder Argon, oder es kann auch an der Reaktion gische oder hydrometallurgische Verfahren weiter zu teilnehmen, z. B. Chlor, Kohlenmonoxid, Luft oder 30 behandeln sind. Weiterhin kann eine Metallverbindung Sauerstoff, jeweils in Abhängigkeit von den gewünsch- gebildet werden, die einer nochmaligen Behandlung ten Reaktionen. Bei den in F i g. 2 und 3 gezeigten durch die Plasmazone bei unterschiedlichen Bearbei-Apparateausführungsformen werden die Beschickung tungsbedingungen besser zugänglich ist, um das freie und das Trägergas über Eintritte 29 in das Plasma 30 Metall herzustellen. Dies ergibt ein Zweistufenvereingespritzt, das durch die Vorionisierungseinheit 14 35 fahren.

erzeugt wird. Es wird eine gewöhnliche Wechselstrom- Die Plasmaschwanzflamme des Bogens hoher Inten-

plasmafackel dargestellt, die in typischer Weise eine silät wird in die Reaktionskammer 2 gerichtet, wo eine

Flamme von ungefähr 6 mm Durchmesser und 25 mm kontrollierte Abkühlung mit Hilfe äußerer oder innerer

Länge bei einer 10 kw-Energiequelle ergibt. Wasserzerstäubung (nicht gezeigt) oder durch Kühl-

Die Beschickungsmaterialien werden so in einem 40 gasstrahlen erreicht werden kann. Viele erwünschte teilweise ionisierten Gasstrom suspendiert, der dann Reaktionen verlaufen, wenn die Reaktionsstoffe auf in die thermische Zone hoher Energie des Haupt- ungefähr 1100 C abgekühlt sind, aber diese Tempebogens 15 und der Schwanzflamme 16 eingeführt wird. ratur hängt weitgehend von den jeweils verwendeten Hauptbogen und Schwanzflamme werden durch Über- Rcak'.ionsstoffen ab. und ein Kühlen ist. wie bereits beanspruchung von Graphitelektroden 9 erzeugt, die 45 festgestellt, nicht in allen Fällen wesentlich. Die Ofenan einer Energiequelle (nicht gezeigt) von 400 Hz ange- produkte strömen direkt aus der Reaktionskammer schlossen sind. Es wurde gefunden, daß der vorioni- aus und können, wie es in den Blockdiagrammen der sierte Gasstrom erwünscht ist. um einen elektrischen F i g. 4 und 5 näher gezeigt ist. in einer Reihe von Weg zwischen den Graphitelektroden aufrechtzuer- Naßwäschern oder anderen herkömmlichen Staubhalten, daß aber, wenn der Elektrodenraum ver- 5° Sammelvorrichtungen gesammelt werden. Die Lösun· größert wird, um beispielsweise die Beschickung zu er- gen und Feststoffe, die aus den Gasbehandlungshöhen, der Strom abbricht und der Bogen auslöscht. systemen gewonnen werden, werden zur Gewinnung Um dies zu verhindern und um einen kontinuierlichen der Metalle in raffinierter Form oder in Form vor Betrieb des Bogens sicherzustellen, wird ein Strom verkaufsfähigen Verbindungen durch herkömmlich« einer Frequenz von 5 mHz aus einem Oszillator an die 55 metallurgische Techniken bearbeitet.
Graphitelektroden 9 angelegt. Dieser Strom hoher
Spannung und niedriger Stromstärke ergibt zwischen
den Elektroden einen ständig vorhandenen ionisierten

Weg für den Strom einer Frequenz von 400 Hz. Alter- Beispiel 1
nativ kann ein Gleichstrom verhältnismäßig niedriger 60
Spannung an die Graphitelektroden 9 angelegt werden,

in welchem Falle der überlagerte Hochfrequenzstrom In der hier beschriebenen Versuchsreihe wurde al

zur Verhinderung des Erlöschens des Bogens nicht er- Rohmaterial ein Auslaufrückstand verwendet, der eii

forderlich ist. Die Energiezuführung zu den Graphit- verhältnismäßig kompliziertes Abfallprodukt dar

elektroden 9 kann über einen großen Bereich variiert 65 stellte, das bei der Druckauslaugung eines Ni-Co-Kon-

werden. Der Elektrodendurchmesser kann ebenfalls zentrats entsteht, und das noch gebundenes Nickel

mit der Energieaufnahme verändert werden, um einen und Kobalt in einer Form enthält, die bisher als nicht

Strom hoher Dichte an den Elektrodenfiächen auf- aufarbeitbar gegolten hat

Tabelle 1 bedingungen wurde die Hauptionisierungseinheit ein-

Repräsentative Analyse des Auslaugungsrückstandes geschaltet, wobei im allgemeinen sieben 400-Hz-Motor-

generatoren und als Plasma und Reaktionsgase Luft,

Nickel (Ni) 0,85 % Stickstof! oder Wasserstoff verwendet wurden. Sobald

Kobalt (Co) 0,19 °/₀ 5 sich stabilisierte Betriebsverhältnisse eingestellt hatten,

Kupfer (Cu) 0,13 % wurde mit der Beschickung begonnen und diese mit

Eisen (insgesamt) (Fe) 47,48 % einer bestimmten Geschwindigkeit vorgenommen, bis

Schwefel (insgesamt) (S) 10,67 % der Beschickungstrichter 31 leer war. Nach Beendigung

Kohlenstoff (C) 2,35 % des Versuches wurden alle trockenen Materialien aus

Säureunlösliches (SiO₂ etc.) 21,90 % ^1O der gesamten Vorrichtung gesammelt, in Proben eingeteilt und gewogen, und das Wäscherlösungsvolumen

Vor jedem Versuch wurden der Ofen, gezeigt in wurde gemessen. Die Lösung ließ man über Nacht ab-F i g. 2, die Staubsammeleinheiten und alle Innenober- setzen, und das feste Material wurde durch Filtration flächen sorgfältig gereinigt, um eine Verunreinigung zu abgetrennt,
verhindern und um Standardbedingungen sicherzu- 15 Versuch 1
stellen. Das Beschickungsmaterial wurde in den Beschickungstrichter eingewogen. Die 400-Hz-Gene- Verarbeitete Beschickung. 4540 g
ratoren für die Vorionisierungs- und Haupteinheiten Zuführgeschwindigkeit... 454 g/Min,
wurden eingeschaltet und synchronisiert. Die Vorioni- Gaszurlonisierungs- Argon mit 0,28 Nm³/Std.

sierungseinheit wurde dann eingeschaltet, wobei ge- 20 einheit (annähernd)

wohnlich 3 der 400-Hz-Motorgeneratoren ver- Gas zum Hauptbogen.... CH₄ (Erdgas) mit

wendet wurden und Argongas als Plasmamedium ver- 4,20 Nm³/Std.

wendet wurde. Nach Erreichung stabiler Betriebs- Energieaufnahme 60 KW

Tabelle

Durch Beutelsammler zurückgehaltene Ofenprodukte
Metallurgische Bilanz

Material

	Fe	V.	g	Ni	Vo	g	Co	Vo	g	S	Vo	g	unlöslich	g
g	42,9	1948	0,75	34	0,19	9	11,7	531	Vo	804
4540	47,5	1834	0,85	33	0,19	7	10,7	413	17,7	844
3859		-114		-1		—2		-118	21,9	4-40
681

Beschickung...
Gesamtprodukt
-t unerfaßt ...

Diese, im Beutelsammler aufgefangenen festen Ofenprodukte wurden sorgfältig gesammelt und 50 g wurden 16 Stunden bei Raumtemperatur in einem offenen Behälter mit 100 crn³ Ammoniumhydroxid (28 % ^NHa) und 25 g Ammoniumcarbonat ausgelaugt. Diese Behandlung zeigte, daß 66 % des Nickels, bezogen auf die Beschickung, aus dem behandelten Material durch eine einfache Auslaugstufe (Auslaugstufe ohne Druck) extrahiert werden konnte. Es wird darauf hingewiesen, daß das Ausgangsmaterial einen Nickelrückstand, der unter Druck ausgelaugt worden war, darstellte, weshalb die obigen Resultate äußerst günstig sind Es zeigt sich somit, daß der Durchgang durch die Zone hohen Wärmeinhalts eine weitgehende Löslichkeit des Nickels in dem unter Druck ausgelaugten Rückstand ergab. In einem Parallelversuch wurde die Wirksamkeit der Behandlung überprüft, wobei ähnliche Auslaugtests mit dem unter Druck ausgelaugten Rückstand ausgeführt wurden. Hierbei wurden unter den besten Laboratoriumsbedingungen nur 23,7% des Nickels in Lösung gebacrht

Weitere Versuche wurden ausgeführt, um die Wirkung anderer Reaktionsteilnehmer, die in der Folge angegeben sind, zu bestimmen.

Versuch 2

Dieser Versuch wurde ausgeführt, um zu bestimmen, ob das enthaltene Nickel chloriert werden konnte.

Hierbei wurde kein Chlorgas in die Plasmazone eingeführt sondern Natriumchlorid dem Beschickungsmaterial zugesetzt.

Versuch H-8, Arbeitsdaten

Verarbeitete Beschickung ... 8172 g (einschließlich

2,5% NaCl)

Zuführgeschwindigkeit 450 g/Min.

Gas zur Vorionisierungsein-

^hdt Argon mit

0,28% Nm³/Std.

Gas zum Hauptbogen Stickstoff mit

4,20Nm³/Std.

Energie zum Hauptbogen... 50 V, 1150 A, 400 H;

Die Ofenprodukte strömten direkt zum Wäscher Die Resultate sind in Tabelle 3 angegeben.

Ans diesen Resultaten ist ersichtlich, daß ungefäh 75% der Beschickungsmaterialien entweder im Wä scher als Feststoffe oder als Staub am Boden de Reakäonskammer gesammelt wurden. Die Produkt wurden eingesammelt und wie zuvor einer Amme mumhydroxidauslaugung unterworfen. Eine Nicke bflanz zeigt die Wirkung der Plasmabehandlung at die Auslaugungseigenschaften der Produkte.

i.

Tabelle 3	Fe Ni Co Cu S Na Cl Rest	Beschi 0/ /o	ckung g	Schlacke	Staub	Produkte Wäscher fes tstoffe	WiUcher- lösung	Gas	Differenz
		41,3 0,79 0,16 0,05 11,24	3375 65 13 4 915 109 167 3524	446 8 1,45 1 58 10 384	610 13 2,18 1 92 15 N. A. 624	2238 35 8,34 N. A. 433 2047	92,0 5,0 0,9 0,5 170 88 162 356	162 162	11 -4 -2 4 -5 49
	8172	909	1357	4761	874	324	53

Tabelle

Nickelbilanz Fraktion	Nickel	Beim Auslaugen mi. NH₁OH in Lösung gegangene Menge in g
Probe Schlacke Staub Feststoffe Lösung Gas nicht erfaßt	65 8 13 35 5 4	0,27 2,14 2,10 5,01
	65	9,52

In Lösung gegangen 15°/₀.

Bei der Ammoniumauslaugung aus der unbehandelten Probe H-8 in Lösung gegangene Menge 26 °/o·

In diesem Falle machte die spezielle NaCl-Behandlung das Nickel im Rückstand nicht durch eine einfache Auslaugungstechnik besser extrahierbar.

Versuch 3

Ein weiterer Versuch wurde ausgeführt, wobei Wasserstoff als Reaktionsgas in der Hauptbogeneinheit

verwendet wurde. In diesem Falle wurde der Atmosphäre kein Chlor zugesetzt.

Arbeitsdaten

Verarbeitete Beschickung 5618 g

Zuführgeschwindigkeit 490 g/Min.

Gas zur Vorionisierungseinheit .. Argon mit

0,28 Nm³/Std. Gas zum Hauptbogen Wasserstoff mil

4,20 Nm³/Std.

Energie zum Hauptbogen 55 V. 1150 A

Resultate siehe Tabelle 4.

Tabelle

	Beschickung, g	Schlacke	Staub A	Staub B	Produkte Staub im Beutel sammler	Wascher feststoffe	Wäscher- Lösung	Gas	Differenz
Fe	2337	150	1089	485	160	12	1,3		-439
Ni	47	2,78	20,97	9,65	3,9	0,16	0,12		-9,4:
CaO ... S	174 617	7 36	58 255	18 115	6 56	0,5 2,34	18 20	7 132	-59
Rest	2443	116	1074	377	71	10,23	59,5	566	-169
	5618	312	2497	1005	297	25,23	99	705	-677

Auch hier zeigt sich, daß ein beträchtlicher Anteil zurückgehalten wurden. Nach dem Durchgang durcl

des Beschickungsmaterials durch den Durchgang es die Bogenzone wurden die verschiedenen Produkte au

durch den Lichtbogen so stark beeinflußt wurde, daß verschiedenen Teilen der Vorrichtung gesammelt um

eine Überführung in ein Gas oder in derart feine Par- einer Amfnoniakauslaugung unterworfen, wobei di

tikelchen erfolgte, die im Rückgewinnungssystem nicht folgenden Resultate erhalten wurden:

1 Λ ΑΊ

Nickelbilanz:

Fiaktion	Nickel ing	Durch die Ammoniak- auslaugung in Lösung gegangene Menge in g
Ausgangs Schlacke Staub A Staub B Dunst Lösung Lösungsfeststoffe... Unerfaßt	47 2,78 20,97 9,65 3,90 0,12 0,16 9,42	12,31g = 26,19% 0,49 3,69 1,65 0,73 0,12 0,02 9,42
	27,00	16,12 g =34,26%

lichten Maschenweite von 0,59 mm hindurchging. Die Analyse war wie folgt:

Kieselsäure (SiO₂) 33,13 %

Eisen (Fe) 24,05%

Kalk (CaO) 5,42%

Magnesiumoxid (MgO) 5,57 %

Aluminiumoxid (Al₂O₃) 7,35 %

Schwefel (S) Spuren

Natriumoxid (Na₂O) 3,75 %

GoId(Au) 3,12 g/Tonne

Platin 10,84 g/Tonne

Wie die Ausgangsprobe zeigt, können nur 26,19% des Nickels durch eine Ammoniakauslaugung gewonnen werden. Nach der Lichtbogenbehandlung können bis zu 34,26% gewonnen werden. Die Lichtbogenbehandlung ergibt eine erhöhte Löslichkeit des Nickels in dem unter Druck ausgelaugten Rückstandmaterial. Dieses Resultat hängt natürlich von der Annahme ab, daß der »nichterfaßte« Teil in der Tat in Form eines Gases vorliegt, welches leicht behandelt werden könnte, wenn ein aufwendigeres Gewinnungssystem, das auch Gase auffangen kann, verwendet wird.

Beispiel 2

35

In dem hier beschriebenen Versuch wurde ein ähnliches Verfahren wie im Beispiel 1 angewendet. Als Ausgangsmaterial wurde eine Flußablagerung, deren Korngröße von der des Kieses bis zu feinem Sand und Ton reichte, gemeinsam mit einem NaCl-Zusatz als Alternative zu Chlorgas als Träger verwendet.

Neuere Versuche haben unter Verwendung von Verfahren der atomaren Absorption gezeigt, daß dieses Material Gold, Silber, Platin und andere Metalle der Platingruppe enthält.

Diese Metalle kommen zum Teil als sein fein verteiltes freies Metall, zum Teil als in einer Matrix aus Magnetit und/oder Chromit ausgefallenes freies Metall und wie angenommen wird, zum Teil als mineralogische Komplexe vor.

Es gibt auch Anzeichen, daß diese Sande andere schwere Mineralien, wie z. B. Euxenit, Columbit, Monazit, Rutil, llmenil, Chromit und Magnetit tragen. Durch bekannte Erzaiifarbeitungstechniken kann ein komplexes schweres Konzentrat gewonnen werden. Dieses komplexe Konzentrat durch herkömmliche extraktive metallurgische Techniken derart aufzuarbeiten, daß die Metalle optimal gewonnen werden, würde äußerst schwierig, zeitraubend und teuer sein. Dissoziation der komplexen Mineralien in einer Zone hoher Energie eines Plasmas und die Umwandlung in einfache Verbindungen auf einer kontinuierlichen Basis bietet den Metallurgen ein einfacheres Verfahren zur Gewinnung einer größeren Menge des enthaltenen Metalls an.

Die verarbeitete Sandprobe hatte eine solche Korngröße, daß ungefähr 100% durch ein Sieb mit einer Diese Probe wurde in den Beschickungstrichter 7\\- sammen mit einem 10%igen NaCl-Zusatz eingebracht, welcher ausreichend Chlorionen für die gewünschte Reaktion erzeugte. Alternativ könnte Chlorgas als Träger verwendet werden.

Das Plasma 30 wurde erzeugt, indem ein Lichtbogen zwischen den Elektroden 19 und 20 geschlagen wurde, wobei eine 10 KW-Wechselstromquelle aus drei Motorgeneratoren 53 verwendet wurde. Argon wurde unter Druck über den Einlaß 26 als Vorionisierungsplasmagas eingeführt. Nachdem der Vorionisierungsplasmabogen stabilisiert war, wurde Luft über den Einlaß 33 und die Eintritte 29 eingeführt, und der Hauptbogen 15 wurde zwischen den Graphitelektroden 9 geschlagen, wobei über einen Isoliertransformator 55 Energie einer Spannung von 55 V bei 1150A Stromstärke einer Frequenz von 400 Hz von sieben] Motorgeneratoren 54 verwendet wurde. Ein Wechselstrom einer Frequenz von 5 mHz aus einem Oszillator 56 mit hoher Spannung und niedriger Stromstärke wurde dem Hauptstrom überlagert, um den Bogen zu stabilisieren. Nachdem das ganze System stabilisiert war, wurde eine Zuführeinrichtung 57 im Beschickungstrichter 31 angeschaltet, und das Edelmetalle enthaltende Material wurde durch die Drehventile 32 zur Mischvorrichtung 34 geführt. Dort wurde es innig mit Luft aus dem Einlaß 33 gemischt, zu den Eintritten 29 geführt und dann in das Plasma 30 eingespritzt. Festes Beschickungsmaterial und Trägergas, in diesem Fall Luft, wurden dort auf eine hohe Energie gebracht. Der Strom aus Gas und Feststoffen wurde dann zwischen den Spitzen der Graphitelektroden 9 hindurchgeführt, deren Einstellung einen maximalen Materialdurchgang ohne Erlöschen des Lichtbogens erlaubte. Es wurde gefunden, daß eine Zuführgeschwindigkeit von 330 g/Min, bei einem Elektrodenabstand von 6,3 mm und bei Zufuhr eines Stroms einer Stärke von 60 kVA bei 400 Hz Frequenz erreicht werden konnte, wobei ein Strom von 6 KW und 5 mHz überlagert wurde. Die festen Materialien, die in dem Reaktionsgas suspendiert waren, wurden zumindest teilweise während des Durchgangs durch die Zone hoher Intensität und die Schwanzflamme 16 dissoziiert und in der Reaktionskammer 2 abgekühlt, so daß die chemischen Reaktionen stattfinden konnten. Etwas Kühlgas wurde in die Reaktionskammer eingeblasen, um eine Kontrolle der Temperatur in der Kammer zu bewirken. Die Reaktionsprodukte wurden aus dem herkömmlichen Hochleistungsnaßwäscher 38 gewonnen. Es ergab sich folgende Analyse:

Analyse der Produkte

Kieselsäure (SiO₂)

Eisen (Fe)

Kalziumoxid (CaO)
Magnesiumoxid (MgO)
Aluminiumoxid (Al₂O₃)

Schwefel (S)

Natriumoxid (Na₄O)

Gold

Platin

30,42% 28,25

5,12°/. 5,52% 4,40% 0,86% 3,68%

30,18% 29,51% 5,20% 5,47% 6,20°/ 0,61°/ 2,50% 38,93%
25,11%
4,72%
5,86%
6,75%
1,31%
1,25%

In der folgenden Tabelle 5 sind diese Ergebnisse aufgeschlüsselt, welche in den einzelnen Abschnitten gewonnen wurden.

Tabelle

so

daß die Mengen in g

86 ppm 45 ppm 21 ppm 25 ppm 132 ppm 195 ppm 430 ppm 0,08 ppm 0,3 ppm

sehen sind,

SiO₂

Al₂O₃

Natrium...

Chlor

S

Unbekannt

Platin
Gold

24,05

33,13

5,42

5,57

7,35

Spur

921	67
1268	69
208	11
213	12
286	14
160	4,3
246
	1,4
351 E	19 E
177	29
3830	227
0,0918]
0,0144

177 190

32

34

28

17

N. A. 5,6

71 E 70

638 113
175

21

27

31
5

5,9
43 E
29

450

3
3

15

64

130

39

78 E
3_

352
0,06
0,016

558 826 141 137 198 69 116 52

140E 46

2163

60,3 65,1 67,8 64,3 69,2 43,1 47,2

Aus den Resultaten dieses Versuches ist ersichtlich, daß beträchtliche Änderungen während des Durchgangs durch die Zone hoher Intensität stattgefunden haben. Eine große Schlacken-Menge, aus der alles flüchtige Chlor entfernt worden ist, wird gemeinsam mit einer Menge Staub gebildet, der das Material darstellt, welches nicht durch die Zone hoher Intensität hindurchging oder mindestens nicht merklich beeinflußt wurde.

Auf Grund der Konstruktion der Vorrichtung ergab sich eine gewisse Menge Staub aus einem Material, das von den Elektroden abgeprallt und nicht durch die Zone hoher Intensität gefallen war. Der Wäscherschlamm stellt unlösliches Material dar, das aber ausreichend grob ist, um im Wäscher aufgefangen zu werden ; es ist hauptsächlich der Rückstand aus den Silikatsanden der Beschickung. Die Wäscherlösung stellt ein Material dar, das durch den Bogen hindurchgegangen und löslich gemacht worden ist. Es wird darauf hingewiesen, daß sehr große Prozentsätze des Beschickungschlorgases in der Wäscherlösung erscheinen und infolgedessen kann gesagt werden, daß eine beträchtliche Chlorierung der Sande stattgefunden hat. Es wird weiterhin darauf hingewiesen, daß die Edelmetalle Gold und Platin in der Wäscherlösung auftreten. Gold liegt in der Tat in einem Ausmaß von mehr als 100% der Analyse des Ausgangsbeschickungsmaterials vor. Diese Diskrepanz kann nur mit einer Ungenauigkeit während des Analyseverfahrens erklärt werden. Platin erscheint in einer Menge entsprechend 65% des Platins in der analysierten Beschickung. Es wird als bedeutend beobachtet, daß eine selektive Chlorierung der Edelmetalle beim Durchgang durch den Bogen stattgefunden hat. Ein beträchtliches Gasvolumen wurde bei den Reaktionen erzeugt. Es kann beobachtet werden, daß eine beträchtliche Differenz vorhanden ist, wenn man die eingebrachten Materialien mit den erhaltenen Materialien vergleicht. Diese Differenz beruht entweder auf Gasbildung oder sie liegt in den sehr feinen Teilchen die im Lichtbogen gebildet, l.icht durch den Wäscher aufgefangen werden und im Abzugssystem verlorengehen. Das verhältnismäßig grobe Beschickungsmaterial ist auf eine zu geringe Korngröße verringert worden, die in einem verhältnismäßig wirksamen Gaswaschsystem nicht mehr aufgefangen wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur elektrothermischen Durchführung chemischer Reak- Patentansprüche: tionen, bei denen nicht gasförmige Ausgangsstoffe in einer Kammer zwischen Kohleelektroden einem Hoch-5 leistungslichtbogen ausgesetzt sind.

1. Vorrichtung zur elektrothennischen Durch- Ein weiterer Gegenstand ist ein Verfahren zur elek-Eührung chemischer Reaktionen, bei denen nicht trothermischen Durchführung chemischer Reaktionen gasförmige Ausgangsstoffe in einer Kammer zwi- mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
sehen Kohleelektroden einem Hochleistungslicht- Die erfindungsgemäße Vorrichtung betrifft insbebogen ausgesetzt sind, dadurch gekenn- io sondere die elektrothermische Durchführung chemizeichnet, daß in der Reaktionskammer (2) scher Reaktionen bei Metallerzen und -verbindungen, zwei in ihrem Betriebsabstand aufrechterhaltene, wobei insbesondere die Gewinnung von Metallen aus einen Lichtbogen mit länglicher Zone hohen Erzen in einer oder in mehreren Stufen in Betracht ge-Wärmeinhalts bei gleichem Druck, die von einem zogen wird.

Hauptbogen entlang einer Schwanzflamme aus- 15 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorgeht, erzeugende Graphitelektroden (9) und eine in richtung und ein Verfahren zur elektrothermischen einem Trägergas suspendiertes, festes, teilchen- Durchführung von chemischen Reaktionen, insbesonförmiges Material einführende Eintrittsvorrichtung dere chemischen Reaktionen, bei denen Metallverbin-(29) angeordnet sind. düngen beteiligt sind, zur Verfügung zu stellen, bei

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens == welchem die umzusetzenden Ausgangsstoffe über nach dem vorstehenden Anspruch 1, dadurch ge- relativ lange Zeiträume einer genügenden Wärmekennzeichnet, daß eine eine kontrollierte Atmo- zufuhr ausgesetzt werden, so daß die Einleitung und Sphäre enthaltende Kammer (2) vorgesehen ist, in Fortführung der gewünschten chemischen Reaktionen welcher zwei in einem vorgegebenen Abstand ange- gewährleistet wird.

ordnete Graphitelektroden (9) und eine Einrichtung 25 Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der einfür die Eintritte (29) zur Einführung des teilchen" gangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß in der förmigen Materials angeordnet sind. Reaktionskammer zwei in ihrem Betriebsabstand auf-

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge- rechterhaltene, einen Lichtbogen mit länglicher Zone kennzeichnet, daß die Graphitelektroden (9) aus hohen Wärmeinhalts bei gleichem Druck, die von einem kohlenstoffhaltigen Material bestehen. 30 einem Hauptbogen entlang einer Schwanzflamme aus-

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch geht, erzeugende Graphitelektroden und eine in einem gekennzeichnet, daß die Einrichtung für die Ein- Trägergas suspendiertes, festes, teilchenförmiges Matetritte (29), Beschickungstrichter (31) und Dreh- rial einführende Eintrittsvorrichtung angeordnet sind, ventile (32) für die Einführung des teilchenförmigen Beim Betrieb der Vorrichtung wird ein in einer kon-Materials und einen Einlaß (33) für die Einführung 35 trollierten Atmosphäre zwischen Elektroden aus Kohdes Trägergases aufweist. lenstoff enthaltendem Material aufrechterhaltener,

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, elektrischer Lichtbogen mit positiver Widerstandsdadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Zu- charakteristik und einer Schwanzflamme verwendet, führung des in dem Trägergas suspendierten durch welchen die, gegebenenfalls in einem Trägergas teilchenförmigen Materials eine Vorionisierungs- 40 suspendierten, Ausgangsstoffe geleitet werden, wobei einheit (14) vorgesehen ist. man die Ausgangsstoffe vor dem Durchleiten durch

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, den elektrischen Lichtbogen in einen Plasmastrom eindadurch gekennzeichnet, daß der Kammer (2) eine spritzt.

Einrichtung zum Abkühlen des Materials nachge- Aus der deutschen Auslegeschrift 1 062 226 und der

schaltet ist. ₄₅ britischen Patentschrift 1135 389 sind bereits Verfahren

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge- und Vorrichtungen zum Abtrennen hochfeuerfester kennzeichnet, daß die Einrichtung zum Abkühlen chemischer Verbindungen bekannt.

des Materials ein Hochleistungs-Naßwäscher In Chemical and Engineering News 42 (1964), Nr. 51,

(38) ist. S. 44 und 45, wird bereits die kontinuierliche Behand-

8. Verfahren zur elektrothermischen Durchfüh- 50 lung fließfähiger Feststoffe in einer kontrollierten rung chemischer Reaktionen mit Hilfe der Vor- Atmosphäre unter Hindurchführung durch einen richtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da- Lichtbogen beschrieben.

durch gekennzeichnet, daß man durch den Licht- Diesem bekannten Verfahren liegt aber eine andere

bogen die Ausgangsprodukte leitet, wobei man Durchführungsweise zugrunde. Bei dem bekannten diese vor dem Durchleiten durch den elektrischen 55 Verfahren wird nämlich ein Wirbelschichtbett aus Lichtbogen in einen Plasmastrom einspritzt. elektrisch leitenden Teilchen erzeugt und darauf ein

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn- elektrischer Lichtbogen gerichtet. Dabei werden im zeichnet, daß die Ausgangsstoffe mit einem in der Unterschied zu dem erfindungsgemäßen Verfahren die kontrollierten Atmosphäre vorhandenen oder dem zu behandelnden Ausgangsstoffe nicht zwischen den elektrischen Lichtbogen zugeführten Gas umge- 60 Elektroden hindurchbewegt.

setzt werden. Ähnliche Verfahren werden in britischer Patent-