DE2529758C2

DE2529758C2 - Ofen zum Suspensionsschmelzen von feinkörnigen sulfidischen oder oxidischen und sulfidischen Erzen und Konzentraten

Info

Publication number: DE2529758C2
Application number: DE19752529758
Authority: DE
Inventors: Olavi August Aaltonen; Jyrki Tapani Pori Juusela
Original assignee: Outokumpu Oyj
Current assignee: Outokumpu Oyj
Priority date: 1974-07-05
Filing date: 1975-07-03
Publication date: 1982-08-26
Also published as: CA1072343A; AU501911B2; GB1507941A; BE831016A; FI56397C; DE2529758A1; FI208874A; FI56397B; ZM8775A1; AU8274275A

Description

Das Suspensionsschmelzen von Sulfidkonzentraten, wie es aus der finnischen Patentschrift Nr. 22 694 bekannt ist, hat überall in der Welt in zunehmendem Maße Anwendung gefunden. Es handelt sich dabei, wie allgemein bekannt, um ein energiewirtschaftlich günstiges und außerdem umweltfreundliches Schmelzverfahren. Dieses sogenannte autogene Flammschmelzverfahren arbeitet jedoch noch nirgends völlig autogen, d. h. ohne Brennstoffzufuhr von außen, sondern dem Flammschmelzofen müssen an verschiedenen Stellen verschieden große Mengen Brennstoff, meist öl, zugeführt werden. Das Flammschmelzverfahren ist bereits gut bekannt und in zahlreichen Artikeln beschrieben worden (u. a. Journal of Metals, June 1958, Petri Bryk, John Ryselin, Jorma Honkasalo und Rolf Malmström: »Flash Smelting Copper Concentrates« und »The First International Flash Smelting Congress, Finland, October 23 - 27,1972«).

Im folgenden eine Kurzbeschreibung dieses Verfahrens: Getrocknetes feinkörniges Konzentrat sowie Umlauf-Flugstaub und eventuelle Flußmittel (Schlakkenbildner) und Luft und/oder Sauerstoffgemisch werden in kaltem oder vorgewärmtem Zustand im Reaktionsschacht eines Flammschmelzofens in vertikaler Richtung von oben nach unten geführt, wobei die Oxydationsreaktionen des in Suspension befindlichen

Materials bei hoher Temperatur im Reaktionsschacht erfolgen. Infolge der Reaktionswärme und der Verbrennung eventueller Zusatzbrennstoffe schmilzt der Großteil der Reaktionsprodukte (mit Ausnahme einiger Sehlackenkomponenten). Beim Verarbeiten von Kupferkonzentraten können die im Reaktionsschacht erfolgenden Umsetzungen durch folgende Summenreaktionen charakterisiert werden:

2 CuFeSi — Cu₂S + V₂ S₂+FeS Cu₂S-HV₂O₂-Cu₂O-I-SO₂

FeS₂-FeS+ V₂ S₂

V₂S₂-HO₂-SO₂

FeS+1V₂ O₂-FeO+ SO₂

3 FeO+ V₂ O₂-Fe₃O₄
20

Beim Verarbeiten anderer Konzentrate kommt es zu ähnlichen Reaktionen. Die aus dem Reaktionsschacht fallende Suspension gelangt in den waagrechten Ofenteil, den sog. Herd oder Setler, wo sich wenigstens zwei, mitunter aber auch drei Schmelzeschichten befinden. Die unterste Schicht kann eine Metallschicht sein — gewöhnlich Blisterkupfer — auf der entweder eine Steinschicht oder als oberste Schicht unmittelbar die Schlackenschicht lagert Der Großteil der in Suspension befindlichen Schmelze- und Feststoffpartikel fällt etwa mit Schlackenabstechtemperatur in die unmittelbar unter dem Reaktionsschacht befindliche Schmelze, während das Feinstmaterial zusammen mit den Gasen ans andere Ofenende gelangt. Auf dem Weg dorthin findet ein ständiges Niedersinken von Suspension in den Herd (Setler) statt Am anderen Ende werden die Gase in einem Steigrohr direkt nach oben und weiter in die Gasbehandlungsapparate, den Abwärmekessel und das Elektrofilter geleitet. Gewöhn-Hch ist man bestrebt, das Schmelzen möglichst weitgehend autogen, d. h. ohne äußere Brennstoffzufuhr durchzuführen. Erreicht wird dies im Reaktionsschacht durch Vorwärmen und/oder Sauerstoffanreicherung der Luft

Beim Verarbeiten von herkömmlichen Sulfidkonzentraten, welche Chalkopyrit (Kupferkies), Pentlandite, Pyrite u. dgl. Eisensulfide enthalten, hat man die Feststellung gemacht daß die Oxydation des Eisens im Reaktionsschacht nicht wie gewünscht zu FeO, sondern weiter bis zum Grad Fe₃O₄ führt

Einen je hochgradigeren Stein man beim Schmelzen anstrebt d. h. je weiter die Oxydation des Konzentrates bei der betreffenden Temperatur im Reaktionsschacht geführt wird, umso vollständiger liegt das Eisen im unteren Teil des Reaktionsschachtes in Form von Magnetit, Fe₃O₄, vor. Auch kann es u. U. zur Bildung von Oxiden anderer Metalle kommen. Auf jeden Fall bleibt eine äquivalente Menge Eisensulfid FeS oder anderer j Metallsulfide unoxydiert. Die Endreaktionen erfolgen nahezu ausschließlich erst nach Eintritt der Partikel in ^! die im Herd befindlichen Schmelze, und es kommt zur I Bildung der gewünschten Stein- und/oder Metall- und j Schlackenphasen. Folgende Reaktionen sind möglich:

Ia 3 Fe₃O₄(S)+ FeS₍2)

Ib 3Fe₃O₄(I,+ FeS₀₀

10FeO₀₀ +SO_{2 (g}, 10FeO₀₀ +SO_{2 (g)}

ΛΗ^ο ₁₃₀₀ο s + 398 kJ A H°₁₃₀₀o=- 16 kJ

II	II	2FeO₁₅,+	3 SiO₂₁₈,	JSiO₂₁₅,	2FeO · SiO₂₁₂,	SO₂₁₈,	SO₂₁₈,	A H⁰	4 I i-~-> UUO" —	+ 73,5 !
III	II	Cu₂S₁₂, +	2 Cu₂O₁₂,	5SiO₂₁₅,	6 Cu,;, +	FeO₁₄₁ +		AU⁰	¹BOU- =	+ 76,2 1
IV	3Cu₂O₁₂,	+ FeS₁₂₁	6Cu₁₂₁ +	Cu₂S₁,,	+ SO₂₁₈,	AW	130U° =	- 35 kJ
V	Cu₂O₁₂, +	FeS₁₂₁	FeO₁,, +	• SiO₂),,,	+ SO₂₁₈,	AW	1300° =	- 115 kJ
Ia +	3Fe₃O₄₁₅,	+ FeS₁₂, +	5 (2 FeO	■ SiO₂),,,	AW	1300' =	+ 766 kJ
Ib +	3Fe₃O₄₁₁,	+ FeS₁₂₁ +	5 (2 FeO		AW	1300° =	+ 352 kJ

Bei ncrmalen Kupferschmelzprozessen kommt in wärmewirtschaftlicher Beziehung der Kombination der Reduktions- und Schlackenbildungsreaktionen des Magnetits (Ia + II oder Ib + II) die größte Bedeutung zu. Wesentliche Mengen Kupferoxydul Cu₂O finden sich im Unterteil des Reaktionsschachtes erst dann, wenn Kupferstein mit über 75% Cu-Gehalt oder metallischer Kupfer angestrebt wird. Aber auch dann muß der Magnetit genügend weit herunterreduziert werden, damit keine unangemessen hohen Kupfei-verluste durch Übergang in die Schlacke eintreten, so daß die Reaktion I + II stets von Bedeutung ist Andere Reaktionen finden in geringem Umlange statt, haben aber in wärmewirtschaftlicher Hinsicht weniger Bedeutung. Neben diesen endothermen Reaktionen treten im Herd auch Wärmeverluste auf.

Nach gegenwärtiger Praxis wird zwecks Führens der Herd-Reaktionen und Ersetzens der Wärmeverluste sowohl unter dem Reaktionsschacht als auch längs des Herdes öl, Gas oder Kühle verbrannt Unter dem Reaktionsschacht, wo die endothermen Umsetzungen stattfinden, kommt es infolge des sich bildenden SO₂-GaSeS zu einer guten Durchmischung der Schmelze und damit zu einer wirksamen Wärmeübertragung; an anderen Stellen des Ofens jedoch, wo die Schlacke nahezu steht, ist der Wärmeübergang schlecht. Messungen haben ergeben, daß das Temperaturgefälle in solcher stehender Schlacke 5 bis 10°C/cm beträgt. Beträgt die Schlacken-Abstechtemperatur 1250 bis 1300⁰C, so kann die Temperatur an der Schlackenoberfläche leicht 100° C höher liegen. Die Wärmeübertragung von den Verbrennungsgasen durch die Schlacke hindurch gestaltet sich wegen der hohen Oberflächentemperatur der Schlacke und der Gegenstrahlung schwierig. Die gesamte Gasmenge muß auf eine hohe Temperatur erhitzt werden, und im oberhalb der Schmelze befindlichen Ofenteil treten große Wärmeverluste auf. Dadurch wächst die Gasme.ige, und die teuren Gasbehandlungsapparate, der Abwärmekessel, die Elektrofilteranlage, die Gebläse usw. müssen entsprechend groß dimensioniert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, die vorgenannten Schwierigkeiten zu überwinden und einen Ofen zum Suspensionsschmelzen von feinkörnigen sulfidischen oder oxidischen und sulfidischen Erzen und Konzentraten zu schaffen, der es ermöglicht, auf die Zufuhr von zusätzlicher Wärme im unteren Ofenteil und im Reaktionsschacht weitgehend zu verzichten.

Die Aufgabe wird gelöst durch das Merkmal des Anspruchs 1. Weitere Merkmale sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Aufgrund der Tatsache, daß beim erfindungsgemäßen Ofen die Einspeisestelle für das feinkörnige Rohmaterial im Vergleich zu herkömmlichen Öfen wesentlich näher an der Schmelzoberfläche liegt, kann der Reaktionsschacht verkürzt bzw. von Anfang an so kurz ausgeführt werden, daß die höchste Temperatur und der höchste Reaktionsgrad im Reaktionsschacht und im Herdteil, der die Fortsetzung des Reaktionsschachts bildet, unmittelbar vor Übergang der Suspensionspartikel aus dem Suspensionsstrom in die Schmelze erreicht werden. Bei Flammschmelzanlagen bestimmen die Höhe des Reaktionsschachts und die auf den Schacht aufzusetzenden schweren Siios die Bauhöhe der gesamten Anlage und beeinflussen dadurch auch beträchtlich die Investitions- und auch die Betriebskosten, beispielsweise für das Fördern des Materials in die Silos. Auch die Wärmeverlucte sinken mit abnehmender Reaktionsschachthöhe. Li'es wirkt sich besonders in Fällen aus, in denen das Konzentrat einen geringen Heizwert har und

2j dem Reaktionsschacht zusätzlicher Brennstoff zugeführt werden muß.

Selbstverständlich kann in bestehenden Öfen die Rohmaterial-Eintragvorrichtung so eingerichtet werden, daß der Abstand der Eintragstelle von der Schmelzoberfläche entsprechend dem Merkmal von Anspruch 1 reguliert werden kann, ohne daß hierzu eine Änderung der Reaktionbschachtlänge erforderlich ist.

Nachstehend sind die Vorteile des erfindungsgemäßen Ofens kurz zusammengefaßt:

— Die im Konzentrat enthaltene Wärmeenergie kann in hochwirksamer Weise für den Prozeß nutzbar gemacht werden, was zu einer Energieersparnis führt.

— Der Reaktionsschacht und die gesamte Anlage haben im Vergleich zu herkömmlichen Anlagen eine entscheidend geringere Bauhöhe, was zu einer Senkung der Investitions- und Betriebskosten führt.

— Da im Herd kein Brennstoff benötigt wird, kommt man mit minimalen Gasmengen und Gasbehandlungsapparaten aus, was ebenfalls eine Einsparung an Investitions- und Betriebskosten bedeutet.

— Die Kapazität von herkömmlichen Anlagen läßt sich, da im Herd kein Öl mehr verbrannt wird,

so beträchtlich steigern.

— Die unmittelbare Gewinnung von Kupfer im Flammschmelzofen aus normalen, chalkopyritischen Kupferkonzentraten wird durch den erfindungsgemäßen Ofen erleichtert.

— Der erfindungsgemäße Ofen ermöglicht eine bessere Verwertung von sogenannten Mischkonzentraten zur Herstellung von Kupfer, da sich die bei hoher Temperatur verdampfenden Komponenten im Flugstaub getrennt anreichern lassen.

— Die beim Fahren hoher Temperaturen im Hinblick auf die Beständigkeit der Anlage unvermeidlichen größeren Wärmeverluste lassen sich in Form von Dampf zurückgewinnen.

Beim Betrieb des erfindungsgemäßen Ofens wird vorzugsweise darauf geachtet, daß der gewünschte Wärmegehalt der auf die Schmelze prallenden Partikel durch ein solches Regulieren der Suspensionsströ-

mungsgeschwindigkeit in der Suspensionsreaktionszone zustande gebracht wird, daß die Verweilzeit der Suspension in dieser Zone etwa gleich der Zeit ist, die benötigt wird, das Rohmaterial so weit zu oxidieren, daß die bei der Oxidation anfallende Reaktionswärme ausreicht, die Partikel auf die gewünschte Temperatur zu bringen. Vorzugsweise beträgt die Verweilzeit in der Suspensionsreaktionszone durchschnittlich 0,5 bis 2 see. Der gewünschte Wärmegehalt der auf die Schmelze fallenden Partikel kann durch Regulieren des Rohmaterialeintrags durch Regulieren des Luftvorwärmgrads und/oder des Sauerstoffgehalts der Luft oder durch Brennstoffzufuhr zusammen mit oder neben der Rohmaterialzufuhr erreicht werden.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen F i g. 1 einen aufgeschnittenen Versuchs-Flammschmelzofen in der Seitenansicht, Fig.2 bis 4 die Sauerstoffverteilung im Reaktionsschacht, Fi g. 5 das Oxydieren der Sulfide im Reaktionsschacht und F i g. 6 die Temperaturen des Reaktionsschachtgases in Abhängigkeit vom Reaktionsweg.

Die für die endothermen Reaktionen des Prozesses erforderliche Wärmemenge wächst mit dem angestrebten Gehaltsreichtum des Steines. Die nachstehenden Versuche charakterisieren diese Situation.

Sie wurden auf der Basis der vom Versuchsofen (Fig. 1, 1 —2 t Konzentrat/h) gelieferten Resultate berechnet. In den Versuchen unterblieb die Flugstaub-Rückführung, jedoch wurden auf Grund der erhaltenen Analysen die Schlacken- und Steinmengen so berechnet, als ob eine vollständige Flugstaubrückführung erfolgt wäre. Das Ergebnis der Betrachtungen wird jedoch dadurch nicht wesentlich beeinflußt.

Kupferkonzentrat-Analyse:

19,0%
38,5%
34,5%

10

Cu
Fe
S
SiO₂

4,0%

40

Der Stein wurde auf Sauerstoff, die Schlacke auf Fe³⁺ analysiert, aus den erhaltenen Werten wurden die Fe₃O₄-Gehalte berechnet Aus dem Schwefel- und Kupfergehalt der Schlacke wurden die darin verbliebene Steinmenge und deren Eisengehalt berechnet Wird vom Gesamteisen der Schlacke das als Magnetit vorliegende Eisen und weiter das darin als Stein vorliegende Eisen subtrahiert so erhält man die nach Reaktion I entstandene FeO-Menge. Als Lösungswärme des Magnetits wurde seine Schmelzwärme, 138 kJ/Mol, eingesetzt Sämtliche Werte sind auf die Tonne Konzentrat bezogen.

Magnetitmenge:
im Stein
in der Schlacke

Nach Reaktion II entstanden in der Schlacke 253 kg F«i^:!+, wofür nach Reaktion la+ 11 eine Wärmemenge von 345 χ 10³ k], nach Reaktion Ib+ 11 eine Wärmemenge von 159 χ 10³ kj erforderlich ist. Das »Auflösen« des Magnetits erfordert eine Wärmemenge von 69 χ 10³ kj.

Der Wärmebedarf beträgt insgesamt 414 χ 10³ kj bei O₄(S) oder 159 χ 10³ kj bei Fe₃O₄(I).

Versuch 2

20

25

30

45

50

55

	Versuch 1
Stein	327 kg
Cu	55,0%
Fe	20,0%
S	2i,9%
O	2,1%
Schlacke	683 kg
Cu	1,5%
Fe	46,8%
S	1.6
Fe₂O*	13,5%
SiO₂	31,5%

60

65

Stein	240 kg
Cu	73,3%
Fe	5,4%
S	20,5%
O	0,45°/
Schlacke	803 kg
Cu	1,8%
Fe	46,3%
S	0,4%
Fe₃O₄	20,5%
SiO₂	31,0%
Magnetitmenge:
im Stein	4 kg
in der Schlacke	165 kg
	169 kg

Nach Reaktion II entstanden in der Schlacke 252 kg Fe²⁺, wofür nach Reaktion Ia + II eine Wärmemenge von 345 χ 10³ k], nach Reaktion Ib + II eine Wärmemenge von 159 χ 10³k] erforderlich ist Das Auflösen des Magnetits erfordert eine Wärmemenge von H)Ox WkJ.

Gesamtwärmebedarf 445xl0³k] bei Fe₃O₄(S) oder 159 χ 10³k] bei Fe₃O₄(I).

Die tatsächlich benötigten Wärmemengen dürften sich zwischen den beiden vorangehenden Grenzwerten bewegen.

Die erhaltenen Ergebnisse sind keinesfalls absolut zu nehmen. Es ist nicht genau bekannt, welche Reaktionen und in welcher Weise diese im Reaktionsschacht ablaufen. Allerdings ist bekannt, daß der Kupferstein bei einer bestimmten Temperatur umso mehr oxydiertes Eisen zu lösen vermag, je niedriger sein Kupfergehalt ist

Wird Kupferstein mit niedrigem Gehalt angestrebt ho nähert sich der Wärmebedarf dem Minimum von 159 χ 10³kJ. Wird Stein mit hohem Gehalt angestrebt, ;■£> kann <=irfi nur ein Teil des oxydierten Eisens in den :Steintröpfchen lösen, während der Rest als fester Magnetit vorliegt Der Wärmebedarf nähert sich in diesem Falle dem Maximum. Die Analysenergebnisse wurden an abgekühlten Proben ermittelt Auch von der m Reaktionsschacht niederfallenden Suspension wurden in verschiedenen Höhen abgekühlte Proben Entnommen und analysiert; weiter wurden Gasanalysen and Temperaturmessungen durchgeführt Mikroskopische Untersuchungen dieser Proben ergaben, daß das oxydierte Eisen im Oxydationsschacht praktisch gesehen als Magnetit vorlag und die Schlackenbildungsreaktionen (MeO + SiO₂) noch nicht begonnen hatten, d. h. das SiO₂ im allgemeinen nicht reagiert hatte. Das für die Schmelzversuche verwendete Konzentrat war auf 0,1% H₂O getrocknet und enthielt keine Körner über

2mm 0. In den Fig.2 bis 4 sind die Sauerstoffverteilungen im Reaktionsschacht unter verschiedenartigen Schmelzbedingungen dargestellt. Die O2- und S(VGehaltswerte sind Ergebnisse von Gaschromatograph-Analysen, und O2 (Fe_xOj.) wurde als Differenz als an den Feststoff (Schmelze) gebunden berechnet. Aus den F i g. ist deutlich ersichtlich, daß in diesem Versuchsofen schon bei einem Reaktionsweg von unter 2 m ziemlich unabhängig von den Verhältnissen, der Gasgeschwindigkeit, Eintragsmenge, Sauerstoffanreicherung und Vorwärmungsgrad der Prozeßluft ein nahezu konstantes Reaktionsergebnis-Niveau erzielt wird. In Fig.5 sind die entsprechenden aus den Reaktionsschacht-Feststoffanalysen berechneten Kupfersteingehalte und die endgültigen Gehaltswerte zusammengestellt. Daraus ist ersichtlich, daß unter Versuchsbedingungen die Reaktionsscharht-Rea.ktionen zu einem Kupferstein von ca. 40% führten; der endgültige Cu-Stein mit etwa 60% wurde im Herd erreicht. Hierbei ist zu bemerken, daß die in Fig. 5 dargestellten Punkte rechnungsmäßig nur Cu2S + FeS(M_Olh.nm) und überhaupt keinen Magnetit in gelöster Form enthalten. In Wirklichkeit enthält aber z. B. ein etwa 40prozentiger Cu-Stein auch ca. 5% Sauerstoff, so daß die Steingehaltswerte in Wirklichkeit unter 40% Cu liegen würden. Fig.6 zeigi die mit Thermoelementen in verschiedenen Höhen im Reaktionsschacht gemessenen Temperaturen. Diese Messungsergebnisse stimmen gut mit den in den F i g. 2 bis 4 zusammengestellten Analysenergebnissen überein und unterstreichen die Feststellung, daß der Großteil der im Reaktionsschacht erfolgenden Umsetzungen schon nach einem Reaktionsweg von ca. 2 m abgeschlossen ist. Theoretische Betrachtungen über die wärmeübertragung und die Keaktionsgeschwindigkeit im Reaktionsschacht haben ergeben, daß die Reaktionsgeschwindigkeit im Schacht ausschließlich von der Partikel-Erwärmungsgeschwindigkeit bestimmt wird, und daß bei diesem Teilprozeß der Differenz zwischen Gas- und Partikelgeschwindigkeit wesentliche Bedeutung zukommt Nachdem sich das Konzentrat entzündet hat, ist der Anteil der Reaktionswärmen im Hinblick auf das Verhalten der gesamten Suspension ausschlaggebend. Unter Reaktionsschachtverhältnissen liegt die Erwärmungszeit des Partikels bis zum Erreichen der Entzündungstemperatur etwa in der Größenordnung von 0,1 s, m.a.W. die Partikel entzünden sich knapp unter dem Schachtgewölbe. Setzt man als mittlere Konzentratpartikelgröße 0 = 37 μπι voraus, so ergibt sich nach der auf Gasdiffusion basierenden Rechnungsweise, daß 67% des im Konzentrat enthaltenen Schwefels in 10-" Sekunden verbrannt werden. Die endothermen Reaktionen und Vorgänge, wie der Zerfall von Sulfaten und Karbonaten, das Destillieren des pyritischen Schwefels, das Verdunsten von Flüssigkeit das Mikropelletieren u.dgl. verzögern sowohl die Erwärmung als auch die Verbrennungsreaktionen. Auch schlechte Konzentratverteilung, d.h. kompakter Fluß des Konzentrats, hat eine beträchtlich durchschnittliche Verzögerung der Umsetzungen zur Folge. Es kann dann 2. B. vorkommen, daß Pyrit im unteren Teil des Reaktionsschachtes auftritt oder daß sich im Herd Konzentrat anhäuft Im Normalfall, wenn trockenes, feinkörniges Konzentrat verarbeitet und gut verteilt wird, erfolgt der Großteil der exothermen Reaktionen unmittelbar im Oberteil des Reaktionsschachtes, während die endothermen Umseizungen in der Schmelze unterhalb des Reaktionsschachtes stattfinden. Die von der Schlacke des Flammschmelzofens unmittelbar hinter dem Reaktionsschacht (a) und am anderen Ofenende am Schlackenabstich ^entnommenen Proben stützen diese Auffassung, daß der Großteil der Herd-Reaktionen unmittelbar unter dem Reaktionsschacht erfolgt, und lediglich die durch Staubniederfall bedingten Nachreaktionen sowie das Niedersinken des Steins und des Metalls in dem hinter dem Reaktionsschacht befindlichen Teil des Herdes stattfinden.

	Cu %	Fc %	S%	Fe₃O₄ %	SiO₂ %
a)	2,6	43,3	0,5	17,5	31,5
b)	2,4	43,5	0,3	16,5	30,5
C)	18,6	33,0	8,4	25,7	26,1

ti cni^nuLhciiiJc Schacht-Probe vor dem Herd.

Hat das Konzentrat genügend Reaktionswärme und wird der Reaktionsschacht verkürzt, so steigt die Temperatur der Suspension um den dem Wärmeverlustrückgang entsprechenden Betrag. Dies ist der zweite außerordentlich bemerkenswerte Vorzug der Erfindung, der genutzt wird. Dieser Temperaturanstieg der Suspension, die Änderung ihrer Enthalpie, wird für die im Herd stattfindenden endothermen Umsetzungen ausgenutzt Mit anderen Worten: Die von den im Reaktionsschacht stattfindenden exothermen Oxydationsreaktionen gelieferte überschüssige Wärme wird bei im Herd stattfindenden endothermen Reduktionsund Schlackenbitdungsreaktionen wirksam genutzt. Die Effektivität dieses Vorganges ist so zu verstehen, daß die Partikel, die im Herd miteinander endotherm reagieren sollen, bereits die dafür erforderliche Wärmemenge enthalten, welche nicht mehr, wie gegenwärtig noch notwendig, durch Verbrennen irgendeines Brennstoffes unterhalb oder in der Nähe des Reaktionsschachtes erzeugt zu werden braucht

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Beispielen näher beschrieben.

Es steht ein im Industriemaßstab angelegter Flammschmelzofen zur Verfügung; Schacht-Innendurchmesser 4,2 m, Schachthöhe 7,5 m. Im Herd zusätzlich etwa 2 m Reaktionsweg zur Schmelze. Gemessene Wärmeverluste im Reaktionsschacht 5430 χ 10³ kj/h ± 15%.

Eintrag ca. 30 t/h plus 10% Umlauf-Flugstaub.

Prozeßluft-Vorwärmung ca. 200⁰C₁ Sauerstoff anreicherung 32% O₂.

Der Reaktionsschacht arbeitet autogen: kein zusätzlicher Brennstoff; Temperatur der in den Herd fallenden Suspension ca. 1300⁰C.

Unter dem Reaktionsschacht werden 200 kg/h, an sonstigen Stellen des Ofens ca. 250 ke/h öl verbrannt: unterer Wärmewert 13,6 -10³ kj (Abgase 1400⁰C). Mittlere Abstechtemperatur der Schlacke ca. 128O⁰C, des Steines ca. 138O°C Temperatur der aus dem Herd abgehenden Abgase etwa 1400° C oder darüber.

Kupferkonzentrat-Mischung	18^%
Analyse	28,5%
Cu	26,7%
Fe	1,9%
S	16,8%
Zn	7,8%
SiO₂	100,0%
Sonstige

Flugstaub-Eintrag
Analyse

Cu 25,10%

Fe 24,30%

S 7,30%

Zn 5,50%

Pb 1,70%

SiO₂ 3,70% Sauerstoff

+ Sonstige 32,40% 100,00%

Stein 255 kg/t Konzentrat Analyse:

Cu 70,0% Fe 8,3%

S 21,2% O 0,46%

Schlacke 620 kg/t Konzentrat Analyse

25	29	758	ίο	103 kj/— t • Wk]/-	t -
		Prozeßgase Flugstaub	1,0 ■ 0,06	103 kJ/°C,	t Konzentrat
		Insgesamt	1,9 ·

10

15

Cu

Fe

Zn

Fe₃O₄

MgO+ CaO

Al₂O₃

1,9% 42,6%

0,5% 26,9% 15,8%

1,9%

2,0%

Stoffbilanz des Reaktionsschachtes per 1 Tonne Konzentrat:

Eintrag:

Konzentrat
Flugstaub
Sauerstoff 208 m³n Stickstoff 442 m³n

Austrag:

Schmelze-Feststoffsuspension Flugstaub-Oxide
Stickstoff 442 m³n
Schwefeloxid 144 m³n Sauerstoff 3 m³n

Beispiel 1

1000 kg 100 kg 297 kg 553 kg

1950 kg

900 kg

81kg

553 kg

412 kg

4 kg

1950 kg

Durch Erhöhung der Schachtprodukt-Temperatur wird das im Herd verbrannte Öl — 450 kg/h — ersetzt Die dadurch erhaltene Nutzwärme beträgt ca. χ 10³ kj/h · t Konzentrat; Temperatur der Herdabgase 1400⁰C Falls das Abstechen des Steines am anderen Ende des Herdes statt unter dem Reaktionsschacht erfolgt, kann man die Temperatur der Herd-Abgase auf 1350⁰C sinken lassen, wodurch der Wärmebedarf des Herdes auf ca. 157XlO³ kj/h -1 Konzentrat sinkt

Änderung des Wärmegehaltes der Schachtprodukte zwischen 1300 und 1400⁰C

Schmelze+Feststoffsuspension 0,8 χ KP kJ/° C t Konzentrat (Fe₃O₄(I)) Die Temperatur des Schachtproduktes ist zu heben um

157 X IQ³ kJ/h, t Konzentrat _ ^°_c 1,9 X 10³ kJ/°C, t Konzentrat

Dies bedeutet eineVerkürzungdesReakticnsschachtes von gegenwärtig 7,5 m auf etwa 1 bis 1,5 m. Dabei geht auch die aus dem Flammofen abgehende Gasmenge um ca. 5100m³n/h, d.h. um ca. 22% zurück. Das so freiwerdende Gasvolumen kann zur Erhöhung der Kapazität gemäß folgendem Beispiel verwendet werden.

Beispiel 2

Vergrößerung der Kapazität um ca. 29%. Gearbeitet wird mit einem Ofen gemäß Beispiel 1; Sauerstoffanreicherung ebenfalls 32% O₂. Das infolge des ölwegfalles freigewordene Gasvolumen von 5100 m³n/h wird für die Oxydation zusätzlichen Konzentrates im Reaktions-

schacht genutzt. Dies bedeutet ein Mehr von ca. 8,7 t Konzentrat pro Stunde oder eine Zunahme um etwa 29% und einen Anstieg der Schachtprodukt-Temperatur um ca. 30 bis 4O⁰C gegenüber dem in Beispiel 1 angeführten Wert. Die Gasbehandlungsapparat bleiben die gleichen.

Beispiel 3

Senkung der Investitionskosten. Es wird eine neue Anlage mit den gleichen Eintrags- und Sauerstoffanreicherungswerten wie die alte Anlage gebaut Infolge der erfindungsgemäßen Verkürzung des Reaktionsschachtes fällt das Schmelzereigebäude etwa 6 m niedriger aus; die Gasbehandlungsapparate sind um etwa 27% kleinen Dies bedeutet neben einer beträchtlichen Einsparung von Investitionskosten auch eine Senkung der Betriebskosten, denn das Beschickungsgut braucht nicht mehr in so große Höhe \vie bei der alten Anlage gefördert zu werden, und die kleineren Gasbehandlungsapparate bedeuten natürlich auch niedrigcro Betriebskosten. Auch benötigt der kurze Reaktionsschacht nur einen Bruchteil des feuerfesten Futters des langen, heute noch üblichen Schachtes.

Beispiel 4

so Starke Kapazitätserweiterung durch erhöhte Schachtprodukt-Temperatur. Der Reaktionsschacht wird, wie in Beispiel 1, verkürzt, oder es wird eine neue Anlage von entsprechender Höhe errichtet Wird die Gasmenge auf dem gleichen Wert gehalten, so muß, soll die Kapazität erhöht werden, die Sauerstoffanreicherung der Prozeßluft erhöht werden. In Beispiel 2 wurde mit einer Sauerstoffanreicherung von 32% eine Kapazität von 38,71 Konzentrat pro Stunde erzielt Bei einer Erhöhung der Sauerstoffanreicherung auf 50% steigt die Eintragskapazität auf 651 Konzentrat pro Stunde, d.h. um reichlich 67%. Wird die Kühlung im Reaktionsschacht und im Vorderteil des Herdes nicht intensiviert, so steigen die Schachtprodukt-Temperaturen um etwa 300 bis 400⁰C In der Praxis führt ein Temperaturanstieg der Schachtprodukte und der im Herd befindlichen Schmelzen auch zu erhöhten Wärmeverlusten. Bei so großen Temperaturanstiegen ist jedoch der Intensivierung der Kühlung ganz

besondere Aufmerksamkeit zu schenken. Eine genügend wirksame Kühlung läßt sich auf an sich bekannte Art und Weise z. B. durch Zwangsumlauf-Druckwasserkühlung erzielen, wobei ein Großteil der Verlustwärme in Form von Dampf zurückgewonnen wird. Neben der hohen Kapazität wird beim Arbeiten mit hoher Reaktionstemperatur gemäß Beispiel 4 ein zweiter beachtlicher Vorteil erzielt. Mit steigender Temperatur nimmt die Neigung des Eisens, zu Magnetit zu Oxydieren, stark ab. Dies geht aus Fi g. 7 hervor, in die Gleichgewichtszustand-Schaubilder verschiedener Eisen- und Kupferverbindungen bei verschiedenen Temperaturen eingetragen sind. Die Werte sind z. T. aus niedrigeren Temperaturen extrapoliert. Wie aus den Schaubildern hervorgeht, nehmen bei steigender Temperatur auch die dem FeO/Fe₃O₄-Gleichgewicht entsprechenden. Saiierstoffdrücke zu. So gilt z. B.:

Temperatur 1300° C;po₂=10-⁷⁶ atm
1500°C;po₂= 10-53atm
1700° C; PO₂=IO-³² atm

In gleicher Weise wird durch Erhöhen der Temperatur die Bildung metallischen Kupfers gefördert; siehe hierzu Cu/Cu₂O des Gleichgewichtsschaubildes. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, noch leichter als bisher schon im Reak.ionsschacht des Flammschmelzofens aus eisenhaltigen Kupferkonzentraten direkt metallisches Kupfer zu gewinnen. Weiter kann eine hohe Reaktionstemperatur beim Schmelzen sogenannter Mischkonzentrate ausgenutzt werden. Diese Mischkonzentrate enthalten neben Kupferkonzentrat oft beträchtliche Mengen an Zink-, Blei- u. dgl. Verbindungen, die mit herkömmlichen Mitteln, z. B. durch Flotation, bisher nicht abgeschieden werden konnten. Es

κι ist schwierig, diese Verbindungen im Rahmen des gegenwärtigen Prozesses wirksam zu verarbeiten und nutzbar zu machen. Das in diesem Beispiel erwähnte Hochtemperatur-Suspensionsschmelzen bietet gute Voraussetzungen, auch diese sog. Mischkonzentrate zu

ι j verarbeiten. Es ist bekannt, daß die Dampfdrücke dieser als Verunreinigungen vorkommenden Zink-, Blei-, Arsen-, Antimon-, Wismut- u.dgl. Verbindungen mit zunehmender Temperatur stark ansteigen, so daß die Möglichkeit besteht, sie bei hoher Temperatur aus dem

.'ο eigentlichen Grundkonzentrat herauszunehmen und in den Flugstäuben anzureichern. Diese als Verunreinigungen vorkommenden wertvollen Stoffe können danach getrennt von dem eigentlichen Grundkonzentrat weiterverarbeitet werden, und letzteres — gewöhnlich Kupferkonzentrat — liefert ausgezeichnetes Metall.

Hierzu 6 Blatt Zcichnunccn

Claims

Patentansprüche:

1. Ofen, bestehend aus einem Reaktionsschacht, einem Unterherd und einem Steigrohr mit weiteren Gasbehandlungseinrichtungen zum Suspensiousschmelzen von feinkörnigen sulfidischen oder oxidischen und sulfidischen Erzen und Konzentraten, in welchen eine in Luft und/oder Sauerstoff befindliche feinkörnige Rohmaterial-Suspension, die auch zusätzlich Brennstoffe enthalten kann, zum Oxidieren und teilweisen Schmelzen in einer Reaktionszone von oben nach unten geführt wird, der Großteil der im Suspensionsstrorn enthaltenen Partikel auf eine unterhalb der Reaktionszone in einem Herd vorliegende Schmelze prallt und die aufgenommene Wärmeenergie an die Schmelze abgibt, der restliche Suspen&ionsstrom rechtwinklig abgelenkt und in eine Zone mit aufsteigender Strömung geleitet wird, wo eventuell eine Nachsulfidierung, das Kühlen sowie das Abscheiden der im Restsuspensionsstrom noch enthaltenen Feststoffe, welche gegebenenfalls erneut in die Reaktionszone geleitet werden, erfolgen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspeisestelle der das feinkörnige Rohmaterial enthaltenden Suspension in die Reaktionszone 2 bis 6 m oberhalb der Schmelzoberfläche liegt.

2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Einspeisestelle des Rohmaterials von der Schmelze höchstens gleich dem effektiven Durchmesser der Suspensionsreaktionszone ist.

3. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Abstandes zwischen der Rohmaterial-Einspeisestelle und der Schmelze zum effektiven Durchmesser der Suspensionsreaktionszone 0,7 bis 0,9 beträgt.