DE3212100C2

DE3212100C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung pyrometallurgischer Prozesse

Info

Publication number: DE3212100C2
Application number: DE3212100A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr. 5000 Köln Melcher; Wolfgang Prof. 1000 Berlin Wuth
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1982-04-01
Filing date: 1982-04-01
Publication date: 1985-11-28
Also published as: US4493732A; DE3212100A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Durchführung pyrometallurgischer Prozesse, insbesondere zum Reaktionsschmelzen feinkörniger Feststoffe und/oder zur Nachbehandlung von Schmelzen, bei welchem ein exotherm reagierendes Feststoff/Gas-Gemisch als heterogene Strömung durch eine Düse gefördert und im Strahl auf die Schmelze aufgeblasen wird, schlägt die Erfindung vor, daß der Strahl unmittelbar beim Austritt aus der Düse gezündet wird, und daß mittels Einstellung hoher Partikelstromdichten in der Düse ein scharf gebündelter Partikelstrahl mit hoher Wärmestromdichte, Temperatur sowie Strahlkraft erzeugt wird, mit dem die Schmelze intensiv bewegt und erhitzt wird. Die Partikelstromdichte an der engsten Stelle der Düse beträgt wenigstens 100 kg m ↑- ↑2 s ↑- ↑1. Die Wärmestromdichte bezogen auf den Querschnitt des Strahles an der heißesten Stelle hat nach Maßgabe der Reaktionskomponenten eine Größenordnung von 0,1 GJ m ↑- ↑2 s ↑- ↑1. Das Verfahren eignet sich sowohl zum Reaktionsschmelzen sulfidischer NE-Metallkonzentrate als auch zum Reduzieren und/oder Verarmen von NE-metallhaltigen Schlacken sowie zur Reduktion von Metallschmelzen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung pyrometallurgischer Prozesse, insbesondere mit feinkörnigem Feststoff, enthaltend sulfidische und/oder oxldlsche Erze, Konzentrate oder Zwischenprodukte, auch unter Zusatz von Kohle, mittels sauerstoffhaltigem Reaktionsgas, zur Erzeugung und/oder Nachbehandlung einer Schmelze.

Bei einem bekannten Verfahren zur pyrometallurgischen Behandlung von feinkörnigen, bei Behandlungslem-

5n peraturen schmelzflüssige Produkte ergebenden Feststoffen mit sauerstoffreichen Gasen und gegebenenfalls Energieträgern unter Verwendung einer Zyklonkammer wird vorgeschlagen, daß die Feststoffe, sauerstoffreichen Gase und gegebenenfalls Energieträger unterhalb der Reaktionstemperatur zu einer Suspension vermischt, mil einer eine Rückzündung ausschließenden Geschwindigkeit In eine vertikale Brennstrecke eingetragen und dort zur Reaktion gebracht werden und die gebildete, nunmehr überwiegend schmelzflüsslge Partikeln enthaltende Suspension In die Zyklonkammer eingetragen wird.

Diese Ist mit horizontaler Achse angeordnet (DE-AS 22 53 074). Am Ende der Brennstrecke wird eine Verbrennungstemperatur erreicht, die durch ein Gleichgewicht bestimmt wird, das sich aus der vorgegebenen theoretischen Verbrennungstemperatur und dem Wärmeentzug Infolge Wandkühlung von Brennstrecke und Zyklonkamnier ergibt. Beim Eintritt in die Zyklonkammer werden gasförmige und flüssige Reaktionsprodukte

'" durch Fliehkräfte getrennt. Die Schmelzphase gelangt In Form eines Filmes an die Zyklonkammerwand. Da diese Wand einer hohen Temperaturbeanspruchung ausgesetzt ist, wird sie von außen durch Verdampfungskühlung geschützt, wobei sich innen als Schutzschicht ein Belag aus erstarrter Schmelze bildet. Hierdurch wird dem Schmelzfilm Wärme entzogen. Aus der Zyklonkammer läuft der .Schmelzfilm In einen Herd ab, in welchem eine Raft'inations-Nachbehandlung der schmelzflüssigen Phasen erfolgt. Gase und Dämpfe werden nach Durch·

<>■" lauf durch eine Einrichtung zum Abscheiden von Staub und schmelzflüssigen Tröpfchen zur Gewinnung darin enthaltener Metalloxide und Wärmeenergie abgezogen.

Bei dem bekannten Verfahren bewirkt die unvermeidliche Kühlung der Brennstrecke sowie der Zyklonkammer eine Erniedrigung der Arbeitstemperaturen sowohl in der Gasphase als auch In der Schmel/phasc, die

demnach unterhalb der theoretisch erreichbaren Temperaturhöhen liegen. Dies ist ein Nachteil, da hohe Temperaturen sowohl beim Schmelzvorgang in der Flamme als auch bei Reaktionen in der kondensierten Phase beispielsweise für eine möglichst weltgehende Verflüchtigung von Begleitmetallen, sowie zur Verhinderung von MiigncUtblldunt; In der Schlacke erforderlich sind.

Da beim Suspenslonsschmelzen nach eiern bekannten Verfahren nur ein sehr dünner Film der Schmelzfluss!- gen Phase über die auf Erstarrungsteniperatur gekühlten Wandbereiche der Zyklonkammer fließt, erreicht wie gesagt die Schmelze Im Sammelraum ein Temperaturniveau, das zwangsläufig unterhalb der von der Reaktlonslempcratur her erreichbaren Höhe liegt. Ein intensiver Stoffaustausch zwischen schmelzflüssigen Teilchen mit unterschiedlichem Reaktionsrespektive Oxidationszustand und der produzierten Schmelze ist dabei kaum, beziehungsweise nur In sehr geringem Umfang möglich, auch deshalb, weil in der Schmelze keine nennenswerte Badbewegong stattfindet.

Relativ niedrige Temperaturen der unterschiedlichen Schmelzphasen Schlacke, Stein und Metall wirken sich auch nachteilig auf deren Trennung aus. Überdies kann es infolge starker Oxidation zu erheblicher Magnetitbildung (Fe₃O₄) In der Schlacke kommen, was dieser unerwünschte Zähigkeit verleiht und infolgedessen das Ausseigern von Anteilen der Metall- und Steinphase verzögert oder verhindert. Ein relativ hoher Metallanteil in der Schlacke ist die nachteilige Folge.

Ähnlich nachteilig wirken sich relativ niedrige Reaktlonsiemperaturen auch auf die Verflüchtigung von Begleiimetallen wie Zinn, Zink, Antimon, Arsen, Wismut, Germanium etc. aus. Diese werden daher zur zum Teil verflüchtigt, und gelangen mit zu hohen Anteilen als Verunreinigungen in das gewonnene edlere Metall.

Um derartige Nachteile zu vermeiden, wurde bereits ein Verfahren zur kontinuierlichen Verarbeitung von Buntmetallrohstoffen, Insbesondere von Kupfer/Zink-Konzentraten vorgeschlagen, bei welchem das Niederschmelzen des Ausgangsmaterials in der Atmosphäre eines freien Sauerstoff enthaltenden Gases und das Reduktionsschmelzen der gewonnenen Schmelze mittels Gasplasmaflamme mit Temperaturen von 4000 bis 5000⁰C durchgeführt wird, wobei die Oberflächentemperatur der Schmelze im Bereich von 1500 bis 1600⁰C gehalten wird (DE-OS 26 55 397).

Nachteil des bekannten Plasma-Reduktionsschmelzverfahrens ist der hohe apparative und energetische Aufwand. Das Verfahren ist somit technisch praktikabel, jedoch wirtschaftlich nicht attraktiv.

Ein anderes bekanntes Verfahren zur kontinuierlichen, in einer einzigen Stufe erfolgenden Gewinnung von Rohkupfer aus Verunreinigungen wie Blei, Antimon, Wismut oder Arsen enthaltenden sulftschen Kupfer/ErzKonzentration und/oder -erzen durch Suspensionsschmelzen enthält die technische Lehre, daß in den Reaktionsschacht Im Verhältnis zum Konzentrat und/oder Erz soviel Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft eingespeist wird, daß das Konzentrat oder Erz in der Reaktionszone so stark oxidiert wird, daß sich unterhalb der Reaktionszone eine Schmelze bildet, die lediglich aus Rohkupfer und Schlacke besteht (DE-AS 25 36 392).

Das bekannte pyrometallurglsche Verfahren gehört zu einer Reihe ähnlicher oder verwandter Verfahren, welche einem Entwicklungstrend folgend Wege zur Lösung des schwierigen Problems verschlagen, auf pyromelallurglschem Wege sulfidische Konzentrale in einem kontinuierlichen Prozeß »in einer Hitze« unmittelbar zu Metall umzuwandeln.

Eine AufzShlung verschiedener derartiger Prozesse findet sich unter anderem in der US-PS 39 41587, Spalte 2, unterer Absatz, worin die Feststellung getroffen wird, daß bisher trotz aller Bemühungen keines dieser Verfahren eine zufriedenstellende Lösung der Aufgabenstellung einer unmittelbaren Metallgewinnung ergeben habe.

Die Gründe für die nachteiligen Erfahrungen sind zum Teil verfahrenstechnischer Art, zum Teil lassen sie sich durch die grundsätzliche thermodynamlsche Situation erklären:

Der Chalkopyrli, chemisch CuFeS;, das für die Kupfergewinnung wichtigste Kupfererz-Mineral, darf beisplelsweise nur so weit oxidiert werden, daß überwiegend Kupfermetall und wenig Kupferoxid entsteht, während gleichzeitig Schwefel und Elsen möglichst vollständig oxidiert werden sollen. Das Eisen geht zusammen mit Zuschlagstoffen in die Schlackenphase, der Restschwefel in die Sulfidphase (Stein), Metall sammelt sich an der tiefsten Stelle des Reaktorgefäßes.

Die kinetischen Eigenschaften der bisherigen Verfahren sind jedoch noch so unzureichend, daß der ideale so Gleichgewichtszustand zwischen den flüssigen Phasen nicht erreicht wird:

Die Schlacken enthalten zuviel Kupferoxid und Magnetit, sie sind zu weit oxidiert. Die schweren kupferhaltigen Phasen Stein und Metall sind zu wenig oxidiert, sie enthalten noch zuviel Eisen und Schwefel. Weil die Bedingungen für den Stofftransport Im Bereich der Schmelzen unzureichend sind, werden vom Gleichgewichtszusland abweichende Konzentrationen nicht hinreichend ausgeglichen. Deshalb umfassen die gängigen hüttentechnischen Verfahren vom Stand der Technik drei mehr oder weniger getrennte Arbeitsbereiche, das heißt, nach dem Einschmelzen erfolgt eine Konvertierung unter oxidierenden Bedingungen einerseits, und die Schlakkenrelnigung unter reduzierenden Bedingungen beziehungsweise mittels Schlackenfiotation andererseits.

Aufgabe der Erfindung 1st es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zur Durchführung metallurgischer Prozesse zur Verfügung zu stellen, welches unter Verbesserung bekannter Verfahren eine möglichst weitgehende Verflüchtigung verflüchtigbarer und eine möglichst weitgehende Verschlackung verschlackbarer Begleitmetalle ermöglicht und dadurch zu einer hohen Reinheit des gewonnenen Metalls in einem Verfahrensschritt führt. Beispielswelse wird bei der Kupfergewinnung eine so hohe Reinheit des erschmolzenen Metalls erstrebt, daß dieses zumindest der herkömmlichen Konverterqualität, wenn möglich einer Anodenkupfer-Qualität entspricht. Weiter soll das verbesserte Verfahren möglichst energiesparend und bezüglich Menge und Zusammensetzung der Abgase umweltfreundlich sein.

Weiter besieht die Aufgabenstellung auch darin. Schmelzen und insbesondere Schlackenschmelzen zu reduzieren und von Metallgehalten zu verarmen. Hierbei sollen sowohl die Gehalte an Elscn-3-Oxid als auch die

Gehalte an Wertmetalloxiden wie zum Beispiel Bleioxid, Zinkoxid, Zlnnoxld und andere vermindert werden. Im Vergleich beispielsweise zu Elektroöfen, die häufig zu diesem Zweck eingesetzt werden, soll das neue Verfahren eine betriebskostengünstige Alternative darstellen.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art mit der Erfindung dadurch gelöst, daß Gas und Feststoff unter annähernd stöchiometrlschem Bezug Ihrer Anteile bei Überdruck zu einer Suspension gemischt, und diese mittels einer Beschleunigungsdüse als gebündelter Partikelstrahl mit hoher Partlkelstromdlchte von wenigstens 100 kg · nr² · r¹ an der engsten Stelle der Düse annähernd senkrecht auf die Schmelze aufgeblasen und unmittelbar bei Austritt aus der Beschleunigungsdüse gezündet wird, und daß die Schmelze eine solche Tisfe und der Partikelstrahl eine solche Kraft aufweisen, daß Im Auftreffbereich des Partikelstrahles In der Schmelze ein konvektlves Reaktionssystem mit einer Intensiven örtlichen Badbewegung erzeugt wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich der generelle Vorteil, daß Schmelzen durch Kraft- und Wärmeübertragung aus einem heißen Partikelstrahl entsprechend den thermodynamlschen Gleichgewichtsbedingungen zwischen Gas und Schmelze gebildet beziehungsweise reduzierend behandelt werden können. Der Umsatz zwischen Gas und Feststoff-Partikeln erfolgt primär überwiegend Im Bereich des Partikelstrahles, worin '5 sich mitteis hoher Wärmestrorndichtc und hoher Temperaturen besonders reaktionsintensive Verhältnisse einstellen. Die Temperaturen an der heißesten Stelle Im Flammenstrahl liegen dabei Im Bereich von 2000° K.

Mit der Erzeugung eines konvektlven Reaktionssystems durch den Partikelstrahl Im Auftreffbereich der Schmelze wird erreicht, daß die geschmolzenen Strahlpartikel von der Schmelze aufgenommen und gleichgcwlchtsentsprechend gelöst werden.

Hierbei ist Im Falle des Einschmelzens von Konzentraten die gleichgewichtsentsprechende Aufteilung der in den Konzentratpartikeln enthaltenen Bestandteile auf die sich bildenden Schmelzphasen von wesentlicher Bedeutung.

Analog sind die Verhältnisse bei der Schlackenreduktion, wobei mit Hilfe des sehr preisgünstigen Einsatzes von Kohlenstaub Im Partikelstrahl sowohl hohe Elsen-3-Gehalte, als auch Wertmetalloxide aus der Schlacke weltgehend entfernt werden können.

Hierbei findet die Reduktion der Oxidphase entsprechend den Gleichgewichten der reduzierend eingestellten Gasphase statt.

Dabei wird durch die erfindungsgemäß erfolgende Zündung des Partikelstrahles unmittelbar beim Austritt aus der Düse die Reaktion von Gas und Feststoff spontan gestartet. Zwar Ist es beim Stand der Technik Im allge- -¹" meinen üblich, daß ein aus der Düse austretendes brennbares Gemisch durch Wärmeaufnahme aus der Umgebung von selbst gezündet wird. Dabei geht aber bis zur effektiven Durchzündung des Strahlkollektivs wertvolle Reaktions-Zeit verloren.

Mit der Zündung des Strahles unmittelbar beim Austritt aus der Düse wird erfindungsgemäß erreicht, daß die erforderlichen Reaktionen im Strahl stattgefunden haben, bevor seine Kraft an die Umgebung abgegeben worden ist.

Zur Erzeugung eines ausreichend dichten Partikelstrahls soll die Partikelstromdichte an der engsten Stelle der Düse zum Beispiel Im Falle der Einschmelzung von Kupfer aus Konzentraten eine Größenordnung von beispielsweise 100 kg · nr² · r¹ nicht wesentlich unterschreiten.

Diese Partikelstromdichte Ist eine Funktion des Düsenruhedruckes und des Feststoff/Gas-Massenverhältnlsses, welches aufgrund der Stöchlometrle der Reaklon berechnet wird.

Im Falle der als Anwendungsbeispiel bereits genannten direkten Kupfergewinnung mit Sauerstoff nach diesem Verfahren, wozu aufgrund der Stöchlometrle der Reaktion beispielsweise 0,44 kg Sauerstoff pro kg Chalkopyrlt benötigt werden, sowie mit einem angenommenen Düsenruhedruck von 10 bar beträgt die Partikelstromdichte:

^O, ₌ 2478
^qp 0,44 0,44

q_g wird nach den bekannten Düsenausflußformeln berechnet.

Sehr wesentlich ist auch die Einstellung einer hohen Wärmestromdichte. Diese beträgt zum Beispiel im Falle des Reaktionsschmelzens von Kupfer nach Maßgabe der hierfür benötigten Reaktions-Komponenten etwa größenordnüngsrnäß'ig 0,1 GJ-rrr^J-s~', bezogen auf den Querschnitt des Partikelstrahles an der heißesten Stelle. Die mil GJ bezeichnete Dimension ist eine Abkürzung der Dimension Giga-Joule.

Im anderen Falle der als Anwendungsbeispiel genannten Reduktion und/oder Verarmung einer wertmeiallhaltigen Schlackenschmelze, wird die erfindungsgemäße Herstellung eines reduzierenden Partikelstrahles mit Kohle und Reaktionsgas erforderlich. Hierfür wird aus Gründen der Stöchlometrie beispielsweise 5,80 kg Luft pro kg Kohlenstaub benötigt. Dabei beträgt die Partikelstromdichte für 10 bar Düsenruhedruck

q_g; Luft 2360 _, .. , .

" 5,80 5,80

Das Feststoff/Gas-Massenverhältnis wird also durch die Stöchiometrle der Reaktion im Strahl bestimmt; jeweils bezogen auf den beabsichtigten Umsatz, Ist dieses Verhältnis für die Oxidation größer I und für die Reduktion kleiner 1.

Bei der Wahl des Düsendurchmessers Ist davon auszugehen, daß um Verstopfungen der Düse zu vermelden, ^h? der maximale Partikelstrom bestimmte Höchstwerte nicht überschreiten darf, welche vom Düsendurchmesser, vom Düsenruhedruck sowie von stoffimmanenten Größen wie Teilchendurchmesser und Dichte abhängen:

*
m_p. _max « 2 ■ D₀ ■ Ug ■ d_p ■ q_p [kg · S"¹]

Dieser maximale Wert beträgt zum Beispiel für ein Kupferkonzentrat bei Verwendung einer Düse mit 20 mm Durchmesser etwa 1,8 kgs"¹. In dieser Formel bedeutet Og die Schallgeschwindigkeit der heterogenen Strömung die kleiner Ist als zum Beispiel die Schallgeschwindigkeit des Reaktionsgases Sauerstoff allein; sie kann nach bekannten Zusammenhängen berechnet werden und wird mit dem Feststoff/Gas-Massenverhältnls kleiner.

Wegen Stoff- Impuls- und Wärmeübertragung richtet sich der Abstand zwischen Düse und Bad nach der Sirahlkrart die Im wesentlichen eine Funktion des Düsenvordruckes und des Düsendurchmessers ist. Sie ist für icdc Reaktion wegen unterschiedlicher Feststoff/Gas-MassenverhäUr.isse aus Gründen der Reaktlonsstöchiomeiric verschieden groß. Dieser Abstand kann deshalb zwischen 0,5 und 3 m betragen und ist in den weiter unten angeführten Beispielen für die verschiedenen Reaktionssysteme genauer definiert.

Partikelstrahl und Schmelze bilden In dynamischer Hinsicht ein System, in welchem die gewünschten Reaktionen thermodynamisch und kinetisch günstig, das heißt gleichgewichtsentsprechend und schnell ablaufen können Das Schmelzvolumen, das von einer Lanze intensiv in Bewegung versetzt und erhitzt werden kann ist begrenzt Es hängt von der Gesamtgröße des Partikelstrahl-Schmelzsystems ab, das zudem durch den Abstand Düse/Bad und die dazugehörige Strahlkraft definiert Ist. Entsprechende Einzelgrößen sind in den Beispielen genauer definiert. Zur Schmelzbehandlung von Metallen werden beispielsweise höhere Strahlkräfte als für

Schlacke·!! benfttlet. , . „ „.

"ElneAusgestaÜung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 4 sieht vor, daß dem restsio.i nacn Maßgabe seiner Gehalte an verschlackbaren und/oder verflüchtigbaren und oxidierbaren Komponenten Zusätze von Schlackenbildnern und/oder Flußmitteln sowie gegebenenfalls Schwefel und/oder feinkörnige Kohle!zugesetzt werden, und daß das Reaktionsgas wenigstens 5096 Sauerstoff in einer Menge zwischen 350 und 500 kg je

Mi^vSelferglbrde/partikelstrahl durch den angegebenen Gehalt an Zusätzen, Brennstoffen und Sauerstoff die Möglichkeit, das Reaktionsschmelzen sulfidischer NE-Metallkonzentrate besonders für die pyrometallurgische Direktgewinnung von Kupfer einzusetzen.

Diese Direktgewinnung war jedoch wegen zu hoher Kupferverluste in den Schlacken sowie wegen mangelnder Reinheit des so erzeugten Rohkupfers, Insbesondere bei Einsatz komplexer Konzentrate, mit bekannten Verlahren vom Stand der Technik wirtschaftlich nicht durchführbar. Mit der Erfindung wird dieser Mangel überwunden und damit beim Reaktionsschmelzen sulfidischer NE-Metallkonzentrate für die pyrometallurgische Direktgewinnung von Kupfer ein großer Fortschritt erzielt.

Die dabei gewonnenen Produkte des Prozesses lassen sich in herkömmlicher Weise, zum Beispiel Kupfer durch Elektrolyse, Schlacke durch Reduktion, weiterverarbeiten. Selbst bei Einsatz komplexer Konzentrate enthält das nach diesem Verfahren erzeugte Kupfer nicht mehr Verunreinigungen als bei Erzeugung mit den energieaufwendigeren und umweltschädlicheren bekannten Betriebsverfahren. Dieser Vorteil ergib sich mit der Erfindung, well im Partikelstrahl wegen der hohen Temperaturen, der großen Reaktionsoberfläche und des intensiven Massenaustausches zwischen Gas und Feststoff auf kleinstem Raum hohe Verflüchtigungen verflüchtigbarer Begleitmetalle gewährleistet sind. Das dynamische Verhalten des ^Οε5^^5ΐε™. "^m°^g ^ darüber hinaus am Auftreffpunkt des Partikelstrahles an der Oberfläche der Schmelze sowohl schneiteUmsätze als auch gleichgewichtsentsprechende thermodynamische Parameter wie Temperatur, ^Konze™f °"^e" ^u™ PariiaWrOcke Aus diesem Grund ist es möglich, eine relativ reine Kupferschmelze mit einer nicht übermäßig oxidierten Schlackenschmelze unter einem Sauerstoffpartlaldruck bei 10* bis 10-' bar und einer Temperatur von

muli in uDiicner weite zur Reduktion und zum Armmachen nachbehandelt werden wobei die im Anspruch 6 gekennzeichnete Verfahrensvariante mit einem Partikelstrahl von feinkörniger Kohle und

Luft/Sauerstoffgemlsch zum Einsatz kommen kann. „„-.,„„ _mn κ unter aus ^

Als Beispiel für ein Partikelstrahl-Schmelzsystem zur pyrometallurgischen Direkterzeugung von Kupfer aus sulfidischen Konzentraten werden nachfolgend die technischen Daten und Umsätze spezillziert.

Partikelstrahl

Düsendurchmesser Dd

Düsenruhedruck ρ

Massenstrom des m_e

Gases

Strahlkraft K =

stöchiom. Faktor Ar =

der Reaktion

Partikelmassenstrom m_P =

Partikel- q_P stoffstromdichte

Temperatur im Strahl T =

Abstand Düse/Bad H₀ =

Zuschlagstoffstrom m_p: =

Beispiel

20 · 10"³ m

10 bar

0,78 kg · S-¹ Sauerstoff

395 N 1,0

1,77 kg · s-i Chalkopyrit : 5632 kg · m-² · s-¹

: 2100 K

2-3 m

0,28 kg · s-i SiO₂

55 60 65

Schmelze

Messen der Schmelzen m_E = 2500 kg

(fl. Metall, fl. Stein,

fl. Schlacke, bezogen auf

einen Partikelstrahl)

Mittlere Verweilzeit	U	= 1220 s (0,34 h)
der Schmelzen
Sauerstoffumsatz	Xo₁	= ca. 100 %
Rohkupferdurchsatz		= 0,62 kg · s-¹
		(ca. 16.00 jato)
Schlackendurchsatz	*tnsdii.*	= 0,99 kg · s-¹
		(ca. 25.700 jato)
SOi-Dufchsatz	,TiSO₂	= 1,24 kg · s-¹

(ca. 32.000 jato)

' (Durchsätze bezogen auf 300 Betriebstage im Jahr)

20 Die Produkte des Prozesses sind:

; - Abgas mit ca. 100% SO₂

- Mischoxid entsprechend den verflüchtigbaren Bestandteilen Im Konzentrat

'■■;.·. - Schlacke, je nach Art der Zuschläge Fayallt oder Kalziumferrit

y ²⁵ - Rohkupfer mit ca. 99% Cu und Verunreinigungen von

i S 0,1%

■·■-' Fe 0,1%

Λ Ο 0,596 Pb 0,196

:■': 30 AS 0,2%

'■';'■ Zn 0,01%

'f_;; Bl 0,01%

f. Wie bereits erwähnt. Ist ein vorteilhaftes Anwendungsgebiet für das Verfahren nach der Erfindung das Redu-

:'^] 35 zieren NE-metallhaltlger Schlackenschmelzen mit Kohle/Luft-Gemlschen sowie mit sauerstoffangereicherter

V Luft als Reduktionsgas.

:S Die Reduktion von NE-metallhaltlgen Schlackenschmelzen wird dem Stand der Technik entsprechend In

ä Elektroöfen, Konvertern oder Herdöfen durchgeführt; verschiedene Reduktionsmittel, wie fester Kohlenstoff,

i, Reduktionsgase oder Pyrit, können dabei Verwendung finden.

j'\i 40 Leistungsintensiver und energetisch günstiger kann dies nach der Erfindung mit einem Partikelstrahl, besle-

{l· hend aus Kohlenstaub und Luft beziehungsweise Luft/Sauerstoff-Gemlschen, erreicht werden. Hierbei wird die

;.. Schlackenschmelze von den heißen Reaktionsprodukten des teilweise ausgebrannten Strahls intensiv bewegt und

S< erhitzt. Reaktionsprodukte sind Stickstoff, Kohlenmonoxid und tellreaglerte Kohlenpartikel. I Die Kohlenteilchen dringen dabei In die Oberfläche der Schlackenschmelze ein; Aschebestandteile der Kohle

45 werden von der Schmelze aufgenommen.

■■■'■: Als Beispiel für ein solches Partlkelstrahl-Scbmelzsystem werden die nachfolgenden technischen Daten für die Verflüchtigung von Zink und Blei aus einer Blel-Schachtofenschlacke aufgeführt:

Partikelstrahl	D_D	= 2 ■ ΙΟ"³ _m	s-i Luft
Düsendurchmesser	P	= 10 bar
Düscüfühedrüc».	m_t	= 7,41 · ΙΟ-³ kg -
Massenstrom des
Gases	K	= 3,95 N
Strahlkraft	X_R	= 0,5	S-'
stöchiom. Faktor			S-'
der Reaktion	m_p	= 1,28· 10-3 kg·
Parti kelmassenstrom	*<lp*	= 407 kg ■ m-² ·
Partikelstoff-

stromdichte (Kohle;
Temperatur im Strahl T = 2200 K
Abstand Düse/Bad H₁, = ca. 0,5 - 1,0 m

Schmelze

Einsatz-Masse der Schmelze m (je Partikelstrahl)

= 300 kg (Olivinschlacke)

Zinkumsatz Xz_n	= 95%
von 10% auf 0,5%
Bleiumsatz Xn	= 98%
von 2% auf 0,05%
Diskontinuierlicher Betrieb:
- Schmelzzeit t	= 10800 s (3 Stunden)
— Masse des erf. m_p	= 14 kg Kohle
Brennstoffs
— Masse verflüchtigtes Zink ntzn	= 28,50 kg
— Masse verflüchtigtes Blei tr.p„	= 5,85 kg
Kontinuierlicher Betrieb:
— Schlackendurchs. m_Schi.	= 0,15 kg · s-i
	(54 kg· h-')
— Zinkverflüchtig. mzn	= 14 ■ 10-" kg · s-·
	(5,13 kg · h-i)
— Bleiverflüchtig. mn	= 3 · 10-⁴ kg · S-'
	(1,05 kg h-i)

20 25

Die Produkte des Prozesses sind:

- Abgas bestehend aus Stickstoff und Kohlenmonoxid, das nachverbrannt werden muß

- Mischoxid mit ca. 7996 Metallgehalt

- Schlacke mit 0,5% Zn und 0,05% Pb für Deponie oder Verkauf.

Weitere Ausgestaltungen und zweckmäßige Parameter sehen unter anderem vor, daß der Abstand zwischen der Austrittsstelle des Strahles und der Oberfläche der Schmelze zwischen 0,5 und 3 m, vorzugsweise weniger als 2 m beträgt.

Zur Erreichung einer intensiven Badbewegung in der Schmelze ist es notwendig, daß deren Tiefe wenigstens dem halben Durchmesser des Auftreffbereiches vom Partikelstrahl entspricht.

Bei einer zu flachen Schmelze würde die Ausbildung einer Badbewegung erheblich beeinträchtigt werden, während bei einem zu tiefen Bad der erforderliche Stofftransport nicht schnell genug vonstatten gehen würde. Die angegebene Badtiefe stellt somit einen vorteilhaft ausgewählten Bereich dar.

Um eine hohe Stoffstromdichte und damit einhergehend auch eine hohe Wärmestromdichte des Partikelstrahles herbeizuführen beziehungsweise beizubehalten, ist es notwendig, daß der Strahl stark gebündelt wird.

Deshalb wird weiter vorgeschlagen, daß sein Ausbreitungswinkel maximal 16° beträgt. Dadurch wird im Gegensatz zu andersartigen Strahlausbildungen gezielt verhindert, daß der Strahl vor Erreichen der Schmelze seine Kraft durch Energieabgabe an die Umgebung wesentlich vermindert oder verliert.

Hierfür ist es auch von Vorteil, daß der Strahl erfindungsgemäß einen Durchmesser an der engsten Stelle zwischen 2 und 20 mm aufweist.

Beim Partikelstrahl, der die reaktiven Komponenten im wesentlichen in einer stöchiometrischen Verteilung enthält, ist die zunehmende Dicke wegen geringerer Abstrahlungsverluste und höherer Reaktionsintensität vorteilhaft.

Zudem steigert eine zunehmende Größe des Partikel-Kollektivs die Kraft des Partikelstrahles, wodurch eine rege Badbewegung befördert wird. Bei gleichbleibender, vorstehend definierter Partikelstromdichte ist deshalb die Einhaltung eines nicht zu geringen Strahldurchmessers erfindungswesentlich.

Im folgenden wird die Erfindung mittels einer Darstellung in der Zeichnung näher e'läutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Schmelzreaktor bekannter Ausführung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Partikelstrahles nach der Erfindung im Schnitt,

F i g. 2 einen Schnitt durch eine Misch- und Beschleunigungsdüse mit umgebender Zündflamme.

Fig. 1 zeigt einen Schmelzreaktor 1 bekannter Bauart, in dessen oberem Wandteil die Vorrichtung 2 zur Erzeugung eines Partikelstrahles 3 angeordnet ist. Diese umfaßt einzelne Funktionselemente, wie den Feststoffdoslerer 4 mit Feststoffzuführung 5, wobei dieser im gezeigten Beispiel als volumetrisch arbeitende Dosierschnecke 19 ausgebildet ist. Diese fördert feinkörnigen Feststoff in die Mischkammer 7, in welche außerdem durch die Leitung 8 Sauerstoff unter Druck durch die Öffnungen 8' eingeblasen wird. Dabei erzeugen die Strahlkräfte des Sauerstoffgases eine innige Durchwirbelung mit dem Feststoff, wodurch eine Mischung in Form einer Feststoff-in-Gas-Suspension hergestellt wird. Diese gelangt unter Druck von einigen bar in die Beschleunigerdüse 10 und bildet Im freien Raum 20 des Reaktors 1 den Partikelstrahl 3 aus. Die Beschleunigungsdüse 10 1st von einer Ringdüse 21 umgeben, die mit einer Zuführung 22 für ein Zündmittel, zum Beispiel Gas, in Verbin-

50

60

65

dung steht. An der Austriilsstelle 11 des Strahles 3 befindet sich eine ringförmige Zündflamme 12, die den Strahl 3 mamelförmig umgibt und spontan entflammt. Der brennende Partikelstrahl, In dem die geschilderten Reaktionsprozesse jnd Stoffumsetzungen stattfinden, trifft mit schmelzflüssigen Partikeln beladen im Auftreffbereich »A« auf das Schmelzbad 13 auf, das infolge der Sirahlkraft eine schüsseiförmige Einbuchtung 23 bildet.

Unterhalb dieser bildet sich eine Intensive Strömung aus, wodurch ein konvektlves Reaktionssystem entsteht.

Der Abstand zwischen der Austrittsstelle 11 des Partikelstrahles 3 und der Oberfläche der Schmelze 13 Ist mit »H« bezeichnet. Er beträgt beim gezeigten Beispiel ca. 2 m. Der Reaktor 1 kann in einer solchen Breite quer zur Längsrichtung ausgeführt sein, daß er gegebenenfalls zwei und mehr Vorrichtungen 2 zur Ausbildung von Partikelstrahlen 3 nebeneinander und gegebenenfalls auch hintereinander aufnimmt.

"> Einen Schnitt durch die Vorrichtung 2 zur Erzeugung eines Partikelstrahles zeigt Flg.2 In vergrößertem Maßstab. Der Feststoffdoslerer 4 ist mit einer volumetrisch dosierenden Zuteilschnecke 19 ausgestattet, welche Feststoff aus dem Vorratsbehälter S entnimmt und in einer programmierten Menge pro Zeiteinheit In die Mischkammer 7 einträgt. Darin wird der feinkörnige, trockene Feststoff mit Sauerstoffgas durchwi/belt, welches unter Druck durch die Leitung 8 sowie die Ringkammer 34 durch die düsenförmigen öffnungen 8' von allen

• 5 Selten In die Mischkammer 7 einströmt. Das auf diese Welse zur Suspension aufbereitete Gas/Partlkel-Gemisch gelangt aus der Mischkammer 7 in die Beschleunigungsdüse 10 und tritt an deren unterer öffnung 35 als gebündelter Partikelstrahl 3 aus. Die Beschleunigungsdüse 10 ist von einer zyllnderförmlgen Ringdüse 21 umgeben. In welche ein brennbares Zündmittel, zum Beispiel ein Zündgas, durch die Leitung 22 eingeführt wird. Am Austritt 36 der Ringdüse 21 bildet sich die Zündflamme 12, die den Partikelstrahl 3 ringförmig umgibt und dabei spontan In Brand setzt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Durchführung pyrometallurgischer Prozesse, insbesondere mit feinkörnigem Feststoff, enthaltend sulfidische und/oder cxldische Erze, Konzentrate oder Zwischenprodukte, auch unter Zusatz von Kohle, mittels sauerstoffhaltigem Reaktionsgas, zur Erzeugung und/oder Nachbehandlung einer Schmelze, dadurch gekennzeichnet, daß Gas und Feststoff unter annähernd stöchlometrischem Bezug Ihrer Anteile bei Überdruck zu einer Suspension gemischt, und diese mittels einer Beschleunigungsdüse als gebündelter Partikelstrahl mit hoher Partikelstromdichte von wenigstens 100 kg · nr² · r¹ an der engsten Stelle der Düse annähernd senkrecht auf die Schmelze aufgeblasen, und unmittelbar bei Austritt aus der Beschleunlgungsdüse gezündet wird, und .daß die Schmelze eine solche Tiefe und der Partikelstrahl eine solche Kraft aufweisen, daß Im Auftreffbereich des Partikelstrahles in der Schmelze ein konvektives Reaktionssystem mit einer Intensiven örtlichen Badbewegung erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wärmestromdichte bezogen auf den Querschnitt des Strahles an der heißesten Stelle nach Maßgabe der Reaktions-Komponenten in einer Größen-Ordnung von 0,1GJ- nr² · r¹ aufrechterhalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Feststoff nach Maßgabe seiner Gehalte an verschSackbaren und/oder verflüchtigbaren und/oder oxidierbaren Komponenten Zusätze von Schlackenbildnern und/oder Flußmittel sowie gegebenenfalls Schwefel und/oder feinkörnige Kohle zugesetzt werden, und daß das Reaktionsgas wenigstens 50% Sauerstoff in einer Menge zwischen 350 und 500 kg je 1000 kg Feststoff enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Austrittsstelle des Partikelstrahles und der Oberfläche der Schmelze zwischen annähernd 0,5 und 3 m, vorzugsweise weniger als 2 m beträgt, und daß sich die Geschwindigkeit des halbkompresslblen Partikelstrahles an der Düsenmündung entsprechend der jeweiligen Schallgeschwindigkeit ausbildet, und daß die Tiefe der Schmelze wenigstens dem halben Durchmesser des Auftreffbereiches »A« vom Partikelst.ahl entspricht.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zündung des Partikelstrahles eine Zündflamme an der Düsenmündung vorgesehen ist, und daß der Partikelstrahl Im Bereich der Düseninündung vorzugsweise von der Zündflamme umgeben ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Partikelstrahl so stark gebündelt wird, daß sein Ausbreitungswinkel maximal 16° und sein Durchmesser an der engsten Stelle zwischen 2 und 20 mm beträgt.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, welche einen Ofenraum mit Abgassystem und eine Einrichtung zum Herstellen einer Suspension von feinkörnigem Feststoff und Reaktionsgas, sowie Mittel zum dosierenden Zuführen von Feststoff und Reaktlonsgas unter Druck In eine Mischkammer aufweist, wobei dieser eine Entspannungs- und Beschleunigungsdüse nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsdüse (10) Im Bereich Ihrer Austrittsöffnung (35) eine Zündeinrichtung (12, 21, 36) aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündeinrichtung (12) eine die Beschleunigungsdüse (10) ringförmig umgebende Brennerdüse mit Mitteln (22) zum Zuführen eines Brennstoff/Zündgemlsches aufweist.