DE3335859A1

DE3335859A1 - Verfahren und vorrichtung zur pyrometallurgischen behandlung von feinkoernigen, bei behandlungstemperaturen schmelzfluessige produkte ergebenden feststoffen

Info

Publication number: DE3335859A1
Application number: DE3335859A
Authority: DE
Inventors: Friedrich 5000 Köln Megerle; Gerhard Dr. Melcher; Wolfgang Prof. Dr. 1000 Berlin Wuth
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Deutz AG
Priority date: 1983-10-03
Filing date: 1983-10-03
Publication date: 1985-04-18
Also published as: DE3335859C2; CA1229488A; FR2552778A1; US4666132A; AU3323684A; US4566903A; AU576520B2

Description

Anlage zum Patentgesuch der

Klöckner-Humboldt-Deutz

Aktiengesellschaft

vom 27. September 1983

Verfahren und Vorrichtung zur pyrometallurgischen Behandlung von feinkörnigen, bei Behandlungstemperaturen schmelzflüssige Produkte ergebenden Feststoffen
Zusatz zu Patent (Patentanmeldung P 32 12 100.8)

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur pyrometallurgischen Behandlung von feinkörnigen, bei Behandlungstemperaturen schmelzflüssige Produkte ergebenden Feststoffen wie z.B. Nichteisenmetallerzkonzentraten mit Sauerstoff enthaltenden Gasen, wobei die Feststoffe mit den Gasen zu einer Suspension vermischt durch eine Düse in einen Reaktionsraum eingeblasen werden, wo die Feststoffe in einem Partikelstrahl hoher Stoffstromdichte und hoher Temperatur zur Reaktion gebracht und geschmolzen werden, nach Patent .... (Patentanmeldung P 32 12 100.8). Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Gegenstand des Hauptpatents ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung pyrometaliurgischer Prozesse, insbesondere zum Reaktionsschmelzen feinkörniger Feststoffe, die als exotherm reagierendes Feststoff/Gas-Gemisch durch eine Düse gefördert und in einem senkrechten Partikelstrahl hoher Stoffstromdichte auf eine Schmelze aufgeblasen werden. Zur Bildung des senkrechten Partikelstrahls wird der feinkörnige Feststoff, z.B. sulfidisches Nichteisenmetallerzkonzentrat, in Sauerstoff suspendiert durch

eine Beschleunigungsdüse gefördert, die in der Dachwandung eines Schmelzreaktors angeordnet ist. Zur Zündung des Partikelstrahls dient eine ringförmige Zündflamme, die den Strahl im Bereich der Düsenausmündung konzentrisch umgibt. Weil im brennenden Partikelstrahl wegen der hohen Temperaturen von über 1700 ⁰K, der großen Reaktionsoberfläche und des intensiven Stoffaustausches zwischen Gas una Feststoff hohe Verflüchtigungsraten verflüchtigbarer Begleitmetalle und hohe Schmelzraten nicht verflüchtigbarer Bestandteile., gewährleistet sind, hat das Reaktionsschmelzen des Verfahrens nach dem Hauptpatent besondere Bedeutung für die pyrometallurgische Direktgewinnung z.B. von Kupfer aus sulfidischen Kupfererzkonzentraten, auch aus komplexen Konzentraten, mit Erhalt eines vergleichsweise reinen Rohkupfers und einer -kupferarmen Schlacke.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunoe, den Gegenstand des Hauptpatertts weiter auszubilden. .Gegenstand der Zusatzanmeldung ist, daß der Partikelstrahl als gebündelter Freistrahl mit einer Stoffstromdichte größer 50 j kg/m · see und mit einer hohen, eine Rückzündung im Strahl ausschliessenden Geschwindigkeit größer 35 m/sec durch den Reaktionsraum gedüst wird und daß der Partikelstrahl durch dessen heißen Verbrennungsgase und/oder durch eine Zündflamme gezündet wird.

Die hohe Stoffstromüichte des Partikelstrahls der bei Behandlungstemperaturen schmelzflüssige Produkte ergebenden Feststoffe bedingt eine hohe Partikelstrahlgeschwindigkeit größer 35 m/sec, die umso höher wird, je geringer das Strahlsuspensionsgas mit O₀ angereichert ist. Derartig hohe Stoffstromdichten und Geschwindigkeiten des Partikelstrahls ermöglichen erhöhte spezifische Durchsatzleistungen des Suspensionsschmelzreaktors mit Reaktionszeiten, die in

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Bruchteilen von Sekunden ablaufen. Bei den hohen Partikelstrahlgeschwindigkeiten findet eine Rückzündung vom brennenden Teil des Strahls in den noch nicht brennenden Teil, welcher der Einblasdüse benachbart ist, nicht mehr statt, so daß der Partikelstrahl durch dessen heizen Verbrennungsgase von z.B. 2000 ⁰K, die zur Ausmündung der Einblasdüse zurückgeleitet bzw. vom Partikelstrahl angesaugt werden, und/oder durch eine Zündflamme spontan gezündet wird.

Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung wird der Partikelstrahl in einen den Reaktionsraum bildenden im wesentlichen vertikalen Schmelzzyklon eingedüst derart, daß der Partikelstrahl eine mit Abstand von der Zykloninnenwand gelegene etwa horizontale Sekante zum Zyklonumfang bildet. Durch die Anwendung des Partikelstrahlschmelzens in einem vertikalen Schmelzzyklon kann die spezifische Durchsatzleistung, vor allem die auf das Volumen des Reaktionsraums bezogene Durchsatzleistung noch weiter erhöht werden. Weil der Partikelstrahl nicht tangential, sondern sekantial zum Zykloninnenumfang in den Schmelzzyklon eingedüst wird, ergibt sich der Vorteil, daß die gekühlte Zyklonwanoung dem Partikelstrahl nicht zuviel Wärme entzieht, so daf3 die Verflüchtigungsrate der verfiüchtigbaren Begieitmetalle und die Schmelzrate der nicht verflüchtigbaren Bestandteile maximiert werden können. Durch die nicht tangentiale, sondern sekantiale Eindüsung des Partikelstrahls in den Schmelzzyklon wird außerdem vermieden, daß durch einen Umlenksichtereffekt der Partikelstrahl im Schmelzzyklon aufgefächert wird derart, daß die größeren Feststoffteilchen schneller an den an der Zykloninnenwandung befindlichen Schmelzefilm gelangen als die kleineren Feststoffteilchen, wodurch die Teilchen des Partikelstrahls umgleichmässig behandelt una gegebenenfalls nicht vollständig reagieren würden. Die spezifische Durchsatzleistung des Schmelzzyklons wird nochmal gesteigert, wenn nach einem weiteren

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Merkmal eier Erfindung in den den Reaktionsraum bildenden vertikalen Schmelzzyklon etwa in einer horizontalen Zyklonquerschnittsebene liegend mehrere, z.B. vier Partikelstrahlen entlang einer Sekante eingedüst werden derart, daß' sich die Partikelstrahlen nicht treffen. Alle über den in einer Zyklonquerschnittsebene über den Zyklonumfang verteilten und in den Zyklon sekantial eingedüsten Partikelstrahlen werden völlig gleichmäßig behandelt, weil die Verweilzeit aller Partikelstrahlen bei gleich langen Sekanten und der Höhenabstand aller Partikelstrahlen bis zur Schmelzeablauföffnung am Unterende des Schmelzzyklons gleich groß sind.

Dagegen ist bei einem nicht vertikalen Schmelzzyklon, sondern bei einem liegenden Schmelzzyklon, wie er zum Stand der Technik gehört (z.B. DE-OS 20 06 945), infolge des sich an der unteren Zykloninnenwandung sammelnden Schmelzesumpfes eine mehrmalige Feststoffeindüsung nur entlang der oberen Zyklonmantellinie möglich, so daß die mehreren Feststof feindüsungsstellen in verschiedenen Querschnittsebenen des Schmelzzyklons angeordnet sein müssen, wo für die eingedüsten Feststoffe jeweils unterschiedliche Reaktionsbedingungen und Verweilzeiten vorliegen, was eine ungleichmäßige Behandlung der Feststoffe im liegenden Schmelzzyklon zur Folge hat.

Dieser gravierende Nachteil wird durch die Erfindung vermieden, weil beim vertikalen Schmelzzyklon mehrere über den Zyklonumfang verteilte Feststoffeinblasöffnungen in gleicher Höhe möglich sind, in der die Reaktionsbedingungen über den gesamten Zyklonumfang gleich sind.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Einblasdüse so im Schmelzzyklonmantel angeordnet ist, daß die Düsenaustrittsöffnungen für die als gebündelter Partikelstrahl austretende Feststoff/Gas-Suspension sekantial

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zum Innenumfang des Schmelzzyklons auf die der Düse gegenüberliegende Zyklonwandung gerichtet sind.

Die Erfindung und deren weiteren Merkmale und Vorteile i· werden anhand des in der Zeichnung schematisch aargestell-

ten Ausführungsbeispiels näher erläutert. }

Die Zeichnung zeigt schematisch die Draufsicht auf einen : Horizontalquerschnitt durch einen vertikalen Schmelzzyklon mit einer kreisringförmigen gekühlten Wandung 10, die sich nach unten in Richtung auf die zentrische Zyklonaustrags- "; öffnung 11 konisch verjüngt. Der Innendurchmesser des Schmelzzyklons beträgt in seinem oberen Bereich etwa 2,25 ,^: m. In diesem Bereich ist die Schmelzzyklonwandung 10 mit vier über den Umfang verteilten Einblasdüsen 12a bis 12d '; zum Einblasen einer Suspension aus z.B. sulfiaischem Kup- \ fererzkonzentrat und sauerstoffhaltigem Gas ausgestattet. ^; Die untereinander gleichen Einblasdüsen 12a bis 12c bestehen jeweils aus einem inneren Rohr 13a bis 13c, durch das \ vorerhitzte Primärluft 14a bis 14c, die bis etwa 40 % mit ; O₉ angereichert werden kann, vermischt mit dem Erzkonzen- . ; trat einströmt. Sekundärluft 15a bis 15c, die ebenfalls mit ^ί Sauerstoff angereichert werden kann, erhält in einem Spi- ■ ; ralgehäuse 16a bis 16a einen Drall, strömt mit etwa 100 m/sec in einen die Rohre 13a bis 13c konzentrisch umgebenen Ringraum ein und vermischt sich im Bereich der Einblasdü- 1 senmündung mit der Konzentrat/Primärluft-Suspension. \

Im Unterschied zu den Einblasdüsen 12a bis 12c arbeitet die Einblasdüse 12d befepielsweise ohne Sekundärluft una an > Stelle von Primärluft mit Sauerstoff 17. Alle vier Einblas- ·

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düsen 12a bis 12d sind so im Zyklonmantel 10 angeordnet, daß die Düsenaustrittsöffnungen für die jeweils als gebün- ; delter Partikelstrahl 18a bis 18d austretende Feststoff/ Gas-Suspension seKantial zum Innenumfang des Schmelzzyklons

auf die der Düsen jeweils gegenüberliegende Zyklonwandung gerichtet sind, wo die reagierten, überwiegend schmelzflüssigen Partikel der Partikelstrahlen 18a bis 18d auf den an der Zykloninnenwandung rotierenden Schmelzefilm auftreffen. Die Rotationsrichtung des Schmelzefilms ist durch die Pfeile 19a bis 19d des Wirbels der sich im Schmelzzyklon bildenden Abgase bzw. Verbrennungsgase angezeigt.

Die Partikelstrahlen 18a bis 18d werden als gebündelte Freistrahlen mit einer Stoffstromdichte größer 50 kg/m * see, die bis 5000 kg/m · see und darüber gesteigert werden kann, und mit einer hohen, eine Rückzündung im Strahl ausschließenden Geschwindigkeit als etwa horizontale Sekanten in den Schmelzzyklon eingedüst, bei der mit Sauerstoff betriebenen Düse 12d mit über 35 m/sec und bei den mit Luft bzw. mit Sauerstoff angereicherter Luft betriebenen Düsen 12a bis 12c mit über 100 m/sec, z.B. 177 m/sec, gemessen jeweils an der Düsenmündung. Bei sehr hohen Temperaturen von 2000 K und darüber reagieren die Partikel im Partikelstrahl mit den mit starkem Wirbel rotierenden heissen Gasen 19a bis 19d in Bruchteilen von Sekunden und die nicht verflüchtigbaren Bestandteile schmelzen. Während die Partikelstrahlen 18a bis 18c durch die im Zykloninneren rotierenden heißen Gase 19a bis 19c selbst gezündet werden, wird gemäß Ausfuhrungsbeispiel der Zeichnung in den Ringraum der Düse 12d ein eigenes Zündgas. 20 eingeleitet, wodurch an der Düsenmündung eine den Partikelstrahl 18d ringförmig umgebende, in der Zeichnung gepunktet dargestellte Zündflamme 21 entsteht, durch die der Partikelstrahl 18d spontan gezündet wird.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Partikelstrahl bzw. der Partikelstrahlen werden die Reaktionsbedingungen im Schmelzzyklon insofern verstärkt, als sowohl die Abgase 19a bis 19d als auch der an aer Zykloninnenwandung sich

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bildende Schmelzefilm in kräftige Rotation versetzt werden. Beide Phasen, d.h. die Schmelze und die sehr hoch an SO₉ angereicherten Abgase verlassen den Schmelzzyklon über die an seinem Unterende gelegene zentrische Austrittsöffnung 11. Wie aus der Zeichnung deutlich hervorgeht sind die Einblasdüsen 12a bis 12d derart angeordnet, daß sich die aus den Düsen sekantial austretenden Partikelstrahlen 18a bis 18d nicht gegenseitig treffen. Ein Überschneiden der Partikelstrahlen kann auch dadurch vermieden werden, daß die Auftreffstellen der .Partikelstrahlen an der Zykloninnenwandung gegenüber der jeweils benachbarten Einblasdüse in der Höhe jeweils versetzt zueinander liegen, was aurch geringfügige Neigung der Partikelstrahlen aus oer gemeinsamen horizontalen Zyklonquerschnittsebene erreicht werden kann.

Das erfindungsgemäße Partikelstrahlschmelzen im vertikalen Schmelzzyklon -ist auch für schwierig zu verarbeitenoe Einsatzstoffe leistungsfähig anwendDar, z.B. zur Gewinnung von Wertmetallen aus komplexen Erzkonzentraten oder aus bis heute auf Halde deponiertem reaktionsträgem Material, z.B. Räumasche_s die schwer entflammbare graphitierte Kohle enthält.

Claims

26. September 1983 QQ9£8RQ KHD Chr/Ju 3 0Ο00ΌΟ H 83/A5 Patentansprüche

1. Verfahren zur pyrometallurgischen Behandlung von feinkörnigen, bei Behandlungstemperaturen schmelzflüssige Produkte ergebenden Feststoffen wie z.B. Nichteisenmetallerzkonzentraten mit Sauerstoff enthaltenden Gasen, wobei die Feststoffe mit den Gasen zu einer Suspension vermischt durch eine Düse in einen Reaktionsraum eingeblasen werden, wo die Feststoffe in einem Partikelstrahl hoher Stoffstromdichte und hoher Temperatur zur Reaktion gebracht und geschmolzen werden, nach Patent .... (Patentanmeldung P 32 12 100.8), dadurch gekennzeichnet, daß der Partikelstrahl als gebündelter Freistrahl mit einer Stoffstromdich-

te größer 50 kg/m · see und mit einer hohen, eine Rückzündung im Strahl ausschließenden Geschwindigkeit größer 35 m/sec durch den Reaktionsraum gedüst wird und daß der Partikelstrahl durch dessen heißen Verbrennungsgase und/oder durch eine Zündflamme gezündet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Partikelstrahl in einen den Reaktionsraum bildenden im wesentlichen vertikalen Schmelzzyklon eingedüst wird derart, daß der Partikelstrahl eine mit Abstand von der Zykloninnenwand gelegene etwa horizontale Sekante zum Zyklonumfang bildet.

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3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des eingedüsten Partikelstrahls die feinkörnigen Feststoffe in Sauerstoff suspendiert werden oder daß bei Verwendung von Primärluft, die etwa bis 40 % 0~ enthält, der Feststoff/Primärluft-Suspension im Bereich der Düsenmündung gegebenenfalls ebenfalls mit 0„ angereicherte Sekundärluft zugemischt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die -Partikelstrahlgeschwindigkeit von größer 35 m/sec umso höher wird, je geringer das Strahlsuspensionsgas mit O2 angereichert ist.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß in den den Reaktionsraum bilaenden vertikalen Scnmelzzyklon etwa in einer norizontalen Zyklonquerschnittsebene liegend mehrere, z.B. vier Partikelstrahlen entlang jeweils einer Sekante eingedüst werden derart, daß sich die Partikelstrahlen nicht treffen.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis

5, dadurch gekennzeichnet, daß die reagierten, überwiegend schmelzflüssigen Partikel des Partikelstrahls an der der Einblasdüse gegenüberliegenden Seite auf den an aer Zykloninnenwand rotierenoen Schmelzefilm mit hoher Strahlkraft auftreffen.

7. Vorrichtung zur pyrometallurgischen Behandlung von feinkörnigen, bei Behandlungstemperaturen schmelzflüssige Produkte ergebenden Feststoffen wie z.B. Nichteisenmetallerzkonzentraten mit Sauerstoff enthaltenden Gasen, umfassend einen Schmelzzyklon mit wenigstens einer am Zyklorimantel angeordneten Einblasdüse zum Einblasen einer Feststoff/ Gas-Suspension, dadurch gexennzeicnnei, aaß die Einblasdüse (12a bis 12a) so im Zyklonmantel (iu) angeordnet ist, daß

die Düsenaustrittsöffnungen für die als gebündelter Partikelstrahl (18a bis I8d) austretende Feststoff/Gas-Suspension sekantial zum Innenumfang des Schmelzzyklons auf die der Düse gegenüberliegende Zykloninnenwandung gerichtet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzzyklon (10) im wesentlichen vertikal angeordnet und im oberen Wandbereich mit mehreren, z.B. vier über den Umfang verteilten Einblasdüsen (12a bis 12d) ausgestattet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einblasdüsen (12a bis 12d) in einer im wesentlichen horizontalen Zyklonquerschnittsebene angeordnet sind derart, daß sich die aus den Düsen sekantial austretenden Partikelstrahlen nicht gegenseitig treffen.