DE2260338A1 - Verfahren zur reduktion von metallooiden in einem lichtbogen-erhitzer - Google Patents

Description

DiPL-ING. KLAUS NiEUBECKER

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 ■ Schadowplatz 9

Düsseldorf, 8. Dez. 1972

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Verfahren zur Reduktion von Metalloxiden in einem Lichtbogen-Erhitzer

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Anpassung eines Lichtbogen-Erhitzers zur Reduktion von Metalloxiden.

In Verbindung mit einigen Reduktionsverfahren ist es bekannt, Metalloxide zu verwenden, und dies umfaßt den Einsatz eines Hochofens, in dem Eisenerz durch die Reaktionswirkung des heißen, aus dem Koks erzeugten Kohlenmonoxids reduziert wird. Es sind Lichtbogenofen oder Lichtbogen-Erhitzer entwickelt worden, die elektrische Lichtbogen benutzen, um die Reduktion von Metalloxiden zu unterstützen, normalerweise in Verbindung mit einem Gas wie Sauerstoff, Kohlenmonoxid, Wasserstoff oder bestimmten Kohlenwasserstoff gasen. Ein Beispiel für einen solchen Ofen gibt die USA-Patentschrift 3 232 746. In diesem Fall wird ein Kohlenwasserstoffgas teilweise verbrannt und einem Reduktionsofen zwischen Elektroden zugeführt, worauf eine diffuse elektrische Ladung in der Flamme gebildet wird, um deren Energie in ausreichendem Maße zu erhöhen, so daß das Erz erhitzt und zum metallischen Zustand'reduziert werden kann. Das Kohlenmonoxid und der Wasserstoff können mit verschiedenen Metalloxiden wie Eisenerz reagieren, um das Eisenerz in Eisen und gasförmige Nebenprodukte umzuwandeln. In diesem Fall wird das Eisen niedergeschlagen, so daß es einen Schmelzteich bildet, aus dem es später abgezogen werden kann, um das Eisen in

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Stahl umzuwandeln.

Entsprechend einem weiteren Beispiel, wie es in der USA-Patentschrift 3 390 979 beschrieben wird, werden Partikel bestimmter Metalloxide dem einen Ende einer langgestreckten Vertikalkammer zugeführt, in der ein Lichtbogen in Längsrichtung angesetzt wird. In entgegengesetzter Richtung wird vom anderen Ende her ein Reduktionsgas in die Kammer geleitet, das in Aufwärtsrichtung an dem Lichtbogen vorbei und zu den Metallpartikeln strömen kann. Während der Reaktionsprozeß stattfindet, werden die Nebenproduktgase an der Oberseite der vertikalen Kammer über verschiedene Auslässe abgezogen, und das Metall fällt durch den Boden der Vertikalkammer aus.

Die beiden vorerwähnten Lösungen nach dem Stand der Technik weisen jeweils bestimmte Nachteile auf. Einer dieser Nachteile ist die Temperatur, auf die das reduzierende Gas aufgeheizt werden muß, während ein anderer Nachteil in der Abhängigkeit von der Schwerkraft in einer Vertikalkammer und der Erzeugung eines kontinuierlichen, ziemlich großen Lichtbogens, wie das in der vorerwähnten Patentschrift erläutert wird, zu sehen ist. Es wäre daher vorteilhaft, einen Lichtbogen-Erhitzer zu schaffen, der ein Kohlenwasserstoff gas einem elektrischen Lichtbogen anstelle einer diffusen elektrischen Entladung aussetzen kann, so daß das Gas auf eine extrem hohe Temperatur erhitzt werden kann, die ausreicht, das Kohlenwasserstoffradikal-Ion und nicht nur das Kohlenmonoxid und den Wasserstoff zu erzeugen, die sich schon bei niedrigeren Temperaturen gewinnen lassen, so daß auch verschiedene Metalloxide außer Eisen reduziert werden können. Hinzu kommt, daß das Kohlenwasserstoff-Ion im Vergleich zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff bei der Reduktion von Metalloxiden so rasch reagiert, daß der Metalloxid-Vorrat der Lichtbogenkammer mit extrem hohen Geschwindigkeiten zugeführt und dort rasch reagieren kann und somit das resultierende Metall in Form eines flüssigen oder Fluidstroms aus im wesentlichen reinen Metallpartikeln durch eine Austrittskammer zu einem weiteren Anlagenbestandteil geleitet werden kann, in dem das flüssige Metall als Komponente verwertet wird. werden

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Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Reduktion von Metalloxiden in einem Lichtbogen-Erhitzer dadurch gekennzeichnet, daß in einem Spalt zwischen im wesentlichen horizontal ausgerichteten, mit axialem Abstand voneinander in einer Bogenkammer angeordneten hohlzylindrischen Elektroden ein elektrischer Lichtbogen angesetzt und für mindestens einen Teil seiner Lebensdauer auf einer vorgegebenen Temperatur gehalten wird, daß dabei verhältnismäßig kühles Kohlenwasserstoffgas in den Spalt eingeleitet und dort unter Abgabe freier Kohlenwasserstoffradikal-Ionen erhitzt wird, daß längs einer Bahn, die im wesentlichen parallel zu einer Achse der Elektroden und zu einem Gebiet, das einen Teil des Lichtbogens und die freien Radikal-Ionen enthält, unter vorgegebenem Druck Metalloxid zugeführt und gleichzeitig mit der Abgabe der freien Radikal-Ionen unter Erzeugung eines verhältnismäßig axial ausgerichteten Fludstroms des Metalls mit den freien Radikal-Ionen chemisch zur Reaktion gebracht wird und daß abschließend der axial ausgerichtete Metal1-Fludstrom zu einer Austrittsöffnung der Bogenkammer geleitet wird.

Vorteilhafterweise kann der elektrische Lichtbogen hoher Temperatur zugeführt werden, um Metalloxide zu reduzieren, die sich in einem der Ströme bewegen, indem gleichzeitig ein Gas auf Basis Kohlenwasserstoff reduziert wird, das einem weiteren Strom angehört, um so das Kohlenwasserstoffradikal—Ion zu erzeugen, das aus Erläuterungsgründen als CH„ beschrieben werden kann (wobei X jede Zahl zwischen 1 bis 3 sein kann). Eines der charakteristischen Merkmale des offenbarten Verfahrens besteht darin, daß das Metalloxid pulverisiert oder auf andere Weise fein gemahlen und so in einen axial ausgerichteten Gasstrom hoher Geschwindigkeit eingeleitet werden kann, der in axialer Richtung in die Bogenkammer des Lichtbogen-Erhitzers einströmt. Das Kohlenwasserstoffgas, das von Methan, Acetylen oder Propan gebildet sein kann, verläuft im wesentlichen senkrecht durch einen elektrischen Lichtbogen, der in einem Spalt in der Bogenkammer angesetzt ist, und in den Strom des eintreffenden, Metalloxid führenden Gases. Der elektrische Lichtbogen ist vorgesehen, um das Kohlenwasserstoffgas zu reduzieren und gleichzeitig ein kurzlebiges Kohlenwasserstoffradikal-Ion zu

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erzeugen, das sogleich mit dem Metalloxid reagiert, um das Metalloxid zu einem Metall zu reduzieren, das dann mit einem vorgegebenen Druck aus der Austrittsöffnung der Lichtbogen-Erhitzerkammer ausgeblasen wird. Diese hohe Reaktionsgeschwindigkeit ermöglicht die Reduktion von mehr Metalloxid pro Zeiteinheit sowie die rasche Abfuhr korrosiver Nebenprodukte aus dem Reaktionsgebiet. Beispiele für Lichtbogen-Erhitzer, die sich rasch umrüsten lassen, um die zuvor beschriebene Funktion auszuführen, sind in den USA-Patentschriften 3 445 191 und 3 552 ol5 beschrieben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert, die - teilweise im Schnitt - eine Seitenansicht eines Lichtbogen-Erhitzers nach der Erfindung wiedergibt.

Im einzelnen zeigt die Zeichnung einen Lichtbogen-Erhitzer 10 mit einer linken Elektrodenkammer 12 und einer rechten Elektrodenkammer 14, in denen im wesentlichen zylindrische Elektroden 16 bzw. 18 koaxial zu einer gemeinsamen Achse 52 und mit einem einen schmalen Spalt 20 bildenden axialen Abstand voneinander angeordnet sind. In dem schmalen Spalt 20 kann ein elektrischer Lichtbogen 22 durch eine Gleichstrom- oder eine Wechselstromquelle erzeugt werden, der dann unter der Einwirkung eines durch den schmalen Spalt 20 in die Bogenkammer eingeleiteten Gas- oder Fludstroms 24 in die Bogenkammer hineingeblasen wird. Es ist nicht für alle Ausführungsformen der Erfindung notwendig, daß der Lichtbogen weit in die Lichtbogenkammer hineingeblasen wird, wie das in Fig. 1 gezeigt ist. Es ist lediglich notwendig, daß der Lichtbogen das Kohlenwasserstoff gas erhitzt und daß das Gas, das das Metalloxid mit sich führt, in ausreichendem Umfang mit dem Lichtbogen in Kontakt kommt.

Die Elektrodenkammern 12 und 14 sind durch starre Abstützungen 26 bzw. 28 gehalten, die miteinander verbunden sein können, so daß ein Gaszuführstutzen 23 mit Kanälen für die Zufuhr des Fludstroms 24 zu der Lichtbogenkammer in Nachbarschaft des Spalts 20 angeordnet werden kann. Mit Hilfe an den beiden äußeren Enden der Elek-

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trodenkammern 12 und 14 angeordneter elektrischer Spulen 30 bzw. 32 kann innerhalb des Bereiches der Bogenkammer ein magnetisches Feld erzeugt werden, um die Wurzeln des Bogens 22 unter der Einwirkung dieses Magnetfeldes längs der Innenfläche der Elektroden 16 und 18 wandern zu lassen. Außerdem kann den Elektroden 16, 18 eine Kühleinrichtung zugeordnet sein, wie das mit den Kühlkanälen 38, 39, 40, 41 angedeutet ist. Anschlüssen 34 und 36 kann Wasser oder ein ähnliches Kühlmittel zugeführt werden, wobei dann der eine Anschluß als Einlaß und der andere Anschluß als Auslaß für das Kühlmittel dient.

An das eine Ende der offenen Lichtbogenkammer mit den Elektroden 16, 18 ist ein Einlaßstutzen 43 mittels Bolzen 42 o. dgl. angeschlossen. Dieser Einlaßstutzen 43 kann eine hohle, zentrische und rohrförmige öffnung aufweisen, deren Achse mit der Achse 52 zusammenfällt, über den Einlaßstutzen 43 wird ein Gasstrom 48, der das Metalloxid mit sich führt, in die Lichtbogenkammer eingeleitet. Der Gasstrom kann das Metalloxid in Form feingemahlener oder besonders kleiner Partikel der Metalloxiderze wie etwa Eisen, Vanadium, Mangan, Chrom oder Titan mit sich führen. Es versteht sich, daß der Reduktionsvorgang nicht auf „Oxide dieser.speziellen Metalle beschränkt ist, sondern sich auch für alle sonstigen Metalloxide einsetzen läßt, die fein pulverisiert und von dem Gasstrom 48 mitgerissen werden können, um dann durch die verstärkte Reduktionsfähigkeit des Kohlenwasserstoffradikal-Ions reduziert zu werden. Am dem Einlaßstutzen 43 gegenüberliegenden Ende der Erhitserkammer befindet sich eine Austrittsöffnung 51, durch die ein das reduzierte Metall mit sich führender Gasstrom 50 austreten kann. In einigen Fällen kann der Druck, mit dem der Gasstrom 48 durch den Einlaßstutzen 43 eingeführt wird, ausreichen, um das reduzierte Metall aus der Austrittsöffnung 51 in flüssiger oder tropfenförmiger Gestalt oder in Form eines feinen Nebels auszutreiben.

Bei der praktischen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Kohlenwasserstoff-Gasstrom 24 dem Spalt 20 mit einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur zugeführt, worauf er der hohen Temperatur und Energie des elektrischen Lichtbogens 22 ausgesetzt

wird, der die Temperatur des Gasstroms auf extreme Werte ansteigen läßt, um das Kohlenwasserstoffradikal-Ion CH zu bilden, das beispielsweise CH- sein kann. Diese Kohlenwasserstoffradikale haben sehr kurze Lebensdauern und können durch die Anwesenheit des elektrischen Lichtbogens sehr rasch in großen Mengen aus dem Kohlenwasserstoff gas gewonnen werden. Das Metalloxid kann dem Lichtbogen und dem Kohlenwasserstoff-Ion unmittelbar ausgesetzt werden, worauf die Reduktion des Metalloxids nahezu unverzüglich einsetzt, so daß das resultierende Metall kontinuierlich weiterströmen und in Form des Gasstroms 50 rasch aus der Austrittsöffnung 51 des Lichtbogenofens 10 austreten kann. Dieses flüssige Metall kann in einem weiteren Prozeß verwendet werden, ohne gespeichert, aufgefangen oder niedergeschlagen werden zu müssen. Gase vca Wasserstoff- und Kohlenstoffprodukt-Typ können gleichzeitig in das Gebiet des Spalts anstelle des reinen Kohlenwasserstoffgases eingeleitet werden, um das gleiche angestrebte Ergebnis zu erzielen, nämlich die Bildung des Kohlenwasserstoff-Ions, das sich zur raschen Bindung des Sauerstoffs der Metalloxide so vorteilhaft ein.-* setzen läßt und dabei relativ reines Metall als Ausgangsprodukt liefert. In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, ein ein Metalloxid führendes Gas zu verwenden, bei dem es sich ebenfalls um einen Kohlenwasserstoff handelt, so daß der elektrische Lichtbogen das Kohlenwasserstoffmolekül aufspalten kann, wenn dieses an dem elektrischen Lichtbogen vorbeiströmt, um so das Kohlenwasserstoff-Ion zu bilden, das das Metalloxid in der unmittelbaren Nachbarschaft des Lichtbogens rasch reduziert.

Vorstehend wurde zwar ein horizontal orientiertes Verfahren beschrieben, jedoch ist ebenso auch eine vertikale Orientierung möglich. Die Zufuhrgeschwindigkeit des das Metalloxid mit sich führenden Gases kann entsprechend den jeweiligen Anforderungen des chemischen Prozesses verändert werden. Im einen Fall kann sie verhältnismäßig niedrig sein, in anderen Fällen dagegen sich der Schallgeschwindigkeit nähern. Das mit dem Fludstrom 24 zugeführte Kohlenwasserstoffgas kann jedes andere geeignete Gas oder eine Kombination von Gasen sein, die geeignet sind, ein Kohlenwasserstoffradikal-Ion zu erzeugen. Die Kohlenstoffatome oder -Ionen und

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die Kohlenmonoxid-Moleküle können auch beiläufig als ein Nebenprodukt der Erhitzung des Kohlenwasserstoffgases durch den Lichtbogen gebildet werden, aber diese Ionen oder Atome sind - obwohl sie sich günstig auf die Aufnahme eines Teils des Sauerstoffs von den Metalloxiden auswirken - nicht als Hauptreaktionsbestandteile des Reduktionsvorgangs anzusehen. Die Austrittsöffnung 51 des Lichtbogen-Erhitzers 10 kann auch die Eintrittsöffnung eines nachgeschalteten Anlagenbestandteils sein. In einigen Fällen kann das Kohlenwasserstoff gas auch durch einen Kanal 46 des Einlaßstutzens 43 eingeleitet und statt dessen das Metalloxid durch den Spalt 20 zugeführt werden, wobei die Ergebnisse in beiden Fällen im wesentlichen die gleichen sind. Der dem Spalt 20 zugeführte Fludstrom 24 kann den elektrischen Lichtbogen weiter in das Innere der Lichtbogenkammer blasen, um so für eine wirksamere Beaufschlagung des das Metalloxid mit sich führenden Gasstroms zu sorgen, und im übrigen ggf. ein Weiterdrehen des Lichtbogens unterstützen, um eine Beschädigung der Elektrodenoberflächen zu verhindern»

Erfindungsgemäß lassen sich somit Metalloxide reduzieren, deren Reduktion mit herkömmlichen chemischen Reaktionsprozessen bisher nicht möglich war. Beispielsweise sind Kohlenstoff- und Kohlenmonoxid-Ionen und -Atome nicht geeignet, um die Oxide von Vanadium oder Chrom zu reduzieren, während sich das Kohlenwasserstoffradikal—Ion zur Reduktion der Oxide dieser Metalle und zur Erzeugung der Metalle in ihrem Reinzustand einsetzen läßt. Ein weiterer Vorteil besteht in der hohen Geschwindigkeit, mit der der Vorgang sich infolge der relativ hohen freien Energie verwirkliehen läßt, die in dem Kohlenwasserstoff-Ion zur Verfügung steht, um Metalloxide rasch und wirksam zu reduzieren, obwohl diese Ionen eine sehr kurze Lebensdauer haben. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der mit einem kurzen Lichtbogen arbeitende Erhitzer im allgemeinen einen stabilen Lichtbogen erzeugt. Ein weiterer Vorzug der Erfindung ist darin zu sehen, daß die Reaktion rasch und im wesentlichen vollständig innerhalb des Bereiches des elektrischen Bogens stattfindet, so daß keine Reaktionsprozesse mehr ablaufen, wenn der Strom flüssigen Metalls aus dem Auslaß ausgeblasen und beispielsweise in einen weiteren Reaktionsprozeß

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eingeleitet wird. Das bedeutet, daß das erfindungsgemäß gewonnene Ausgangsprodukt mit größerer Wahrscheinlichkeit ein im wesentlichen reines Metall ist als teilweise reduzierte Metalloxide,

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Claims (4)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Reduktion von Metalloxiden in einem Lichtbogen-Erhitzer, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Spalt (20) zwischen im wesentlichen horizontal ausgerichteten, mit axialem Abstand voneinander in einer Bogenkammer (12, 14) angeordneten hohlzylindrischen Elektroden (16, 18) ein elektrischer Lichtbogen (22) angesetzt und für mindestens einen Teil seiner Lebensdauer auf einer vorgegebenen Temperatur gehalten wird, daß dabei verhältnismäßig kühles Kohlenwasserstoffgas in den Spalt (20) eingeleitet und dort unter Abgabe freier Kohlenstoffradikal-Ionen erhitzt wird, daß längs einer Bahn, die im wesentlichen parallel zu einer Achse (52) der Elektroden und zu einem Gebiet, das einen Teil des Lichtbogens und die freien Radikal-Ionen enthält, unter vorgegebenem Druck Metalloxid zugeführt und gleichzeitig mit der Abgabe der freien Radikal-Ionen unter Erzeugung eines verhältnismäßig axial ausgerichteten Fludstroms des Metalls mit den freien Radikal-Ionen chemisch zur Reaktion gebracht und abschließend der axial ausgerichtete Metall-Fludstrom zu einer Austrittsöffnung der Bogenkammer geleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlenwasserstoffgas dem Spalt (20) so zugeführt wird, daß der Lichtbogen in die Bogenkammer hineingeblasen und so verlängert und in eine Lage gebracht wird, in der die chemische Reaktion in iiähe des Zentrums der Bogenkammer stattfindet.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wurzeln des Lichtbogens im wesentlichen in ümfangsrichtung längs der Innenflächen der Elektroden verschoben werden, indem der elektrische Strom des Lichtbogens in Nähe der Oberfläche zur Wechselwirkung mit den magnetischen Feldlinien gebracht wird, die eine angrenzend an die Elektroden angeordnete Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes liefert.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das

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Metalloxid Eisenoxid und das Kohlenwasserstoffgas Methan, Propan oder Acethylen ist.

KN/hs 3

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