DE3335859C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur pyrometallurgi­ schen Behandlung von feinkörnigen, bei Behandlungstempera­ turen schmelzflüssige Produkte ergebenden Feststoffen wie z. B. Nichteisenmetallerzkonzentraten mit Sauerstoff enthal­ tenden Gasen, wobei die Feststoffe mit den Gasen zu einer Suspension vermischt durch eine Düse in einen Reaktionsraum eingeblasen werden, wo die Feststoffe in einem Partikel­ strahl 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 pyrometallurgischer Prozesse, insbesondere zum Reaktionsschmelzen feinkörniger Feststof­ fe, die als exotherm reagierendes Feststoff/Gas-Gemisch durch eine Düse gefördert und in einem senkrechten Parti­ kelstrahl hoher Stoffstromdichte auf eine Schmelze aufge­ blasen werden. Zur Bildung des senkrechten Partikelstrahls wird der feinkörnige Feststoff, z. B. sulfidisches Nichtei­ senmetallerzkonzentrat, in Sauerstoff suspendiert durch eine Beschleunigungsdüse gefördert, die in der Dachwandung eines Schmelzreaktors angeordnet ist. Zur Zündung des Parti­ kelstrahls dient eine ringförmige Zündflamme, die den Strahl im Bereich der Düsenausmündung konzentrisch umgibt. Weil im brennenden Partikelstrahl wegen der hohen Temperaturen von über 1700°K, der großen Reaktionsoberfläche und des inten­ siven Stoffaustausches zwischen Gas und Feststoff hohe Ver­ flüchtigungsraten verflüchtigbarer Begleitmetalle und hohe Schmelzraten nicht verflüchtigbarer Bestandteile gewährlei­ stet sind, hat das Reaktionsschmelzen des Verfahrens nach dem Hauptpatent besondere Bedeutung für die pyrometallurgi­ sche 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 zugrunde, den Gegenstand des Hauptpatents weiter auszubilden.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Partikel­ strahl als gebündelter Freistrahl mit einer Stoffstromdichte größer 50 kg/m² × sec und mit einer hohen, eine Rückzün­ dung im Strahl ausschließenden Geschwindigkeit größer 35 m/sec durch den Reaktionsraum gedüst wird und daß der Par­ tikelstrahl durch dessen heißen Verbrennungsgase und/oder durch eine Zündflamme gezündet wird.

Die hohe Stoffstromdichte des Partikelstrahls der bei Be­ handlungstemperaturen schmelzflüssige Produkte ergebenden Feststoffe bedingt eine hohe Partikelstrahlgeschwindigkeit größer 35 m/sec, die umso höher wird, je geringer das Strahlsuspensionsgas mit O₂ angereichert ist. Derartig hohe Stoffstromdichten und Geschwindigkeiten des Partikel­ strahls ermöglichen erhöhte spezifische Durchsatzleistungen des Suspensionsschmelzreaktors mit Reaktionszeiten, die in Bruchteilen von Sekunden ablaufen. Bei den hohen Partikel­ strahlgeschwindigkeiten findet eine Rückzündung vom bren­ nenden Teil des Strahls in den noch nicht brennenden Teil, welcher der Einblasdüse benachbart ist, nicht mehr statt, so daß der Partikelstrahl durch dessen heißen Verbrennungs­ gase von z. B. 2000°K, 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 Parti­ kelstrahl in einen den Reaktionsraum bildenden im wesentli­ chen 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 Durchsatz­ leistung, vor allem die auf das Volumen des Reaktionsraums bezogende 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 Zyklonwandung dem Partikelstrahl nicht zuviel Wärme entzieht, so daß die Verflüchtigungsrate der verflüchtigbaren Begleitmetalle und die Schmelzrate der nicht verflüchtigbaren Bestandteile maximiert werden können. Durch die nicht tangentiale, son­ dern sekantiale Eindüsung des Partikelstrahls in den Schmelzzyklon wird außerdem vermieden, daß durch einen Umlenksichtereffekt der Partikelstrahl im Schmelzzyklon aufgefächert wird derart, daß die größeren Feststoffteil­ chen schneller an den an der Zykloninnenwandung befindli­ chen Schmelzefilm gelangen als die kleineren Feststoffteil­ chen, wodurch die Teilchen des Partikelstrahls ungleichmä­ ßig behandelt und gegebenenfalls nicht vollständig reagie­ ren würden. Die spezifische Durchsatzleistung des Schmelz­ zyklons wird nochmal gesteigert, wenn nach einem weiteren Merkmal der Erfindung in den den Reaktionsraum bildenden vertikalen Schmelzzyklon etwa in einer horizontalen Zyklon­ querschnittsebene liegend mehrere, z. B. vier Partikelstrah­ len 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 Schmelzeablauf­ öffnung am Unterende des Schmelzzyklons gleich groß sind.

Dagegen ist bei einem nicht vertikalen Schmelzzyklon, son­ dern 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 Schmelzesump­ fes eine mehrmalige Feststoffeindüsung nur entlang der oberen Zyklonmantellinie möglich, so daß die mehreren Fest­ stoffeindüsungsstellen in verschiedenen Querschnittsebenen des Schmelzzyklons angeordnet sein müssen, wo für die ein­ gedüsten Feststoffe jeweils unterschiedliche Reaktionsbe­ dingungen und Verweilzeiten vorliegen, was eine ungleich­ mäßige Behandlung der Feststoffe im liegenden Schmelzzyklon zur Folge hat.

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

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist erfin­ dungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Einblasdüse so im Schmelzzyklonmantel angeordnet ist, daß die Düsenaustrittsöffnungen für die als gebündelter Parti­ kelstrahl austretende Feststoff/Gas-Suspension sekantial zum Innenumfang des Schmelzzyklons auf die der Düse gegen­ überliegende Zyklonwandung gerichtet sind.

Die Erfindung und deren weiteren Merkmale und Vorteile werden anhand des in der Zeichnung schematisch dargestell­ 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 12 a bis 12 d zum Einblasen einer Suspension aus z. B. sulfidischem Kup­ fererzkonzentrat und sauerstoffhaltigem Gas ausgestattet. Die untereinander gleichen Einblasdüsen 12 a bis 12 c beste­ hen jeweils aus einem inneren Rohr 13 a bis 13 c, durch das vorerhitzte Primärluft 14 a bis 14 c, die bis etwa 40% mit O₂ angereichert werden kann, vermischt mit dem Erzkonzen­ trat einströmt. Sekundärluft 15 a bis 15 c, die ebenfalls mit Sauerstoff angereichert werden kann, erhält in einem Spi­ ralgehäuse 16 a bis 16 a einen Drall, strömt mit etwa 100 m/sec in einen die Rohre 13 a bis 13 c konzentrisch umgebenden Ringraum ein und vermischt sich im Bereich der Einblasdü­ senmündung mit der Konzentrat/Primärluft-Suspension.

Im Unterschied zu den Einblasdüsen 12 a bis 12 c arbeitet die Einblasdüse 12 d beispielsweise ohne Sekundärluft und an Stelle von Primärluft mit Sauerstoff 17. Alle vier Einblas­ düsen 12 a bis 12 d sind so im Zyklonmantel 10 angeordnet, daß die Düsenaustrittsöffnungen für die jeweils als gebün­ delter Partikelstrahl 18 a bis 18 d austretende Feststoff/ Gas-Suspension sekantial zum Innenumfang des Schmelzzyklons auf die der Düsen jeweils gegenüberliegende Zyklonwandung gerichtet sind, wo die reagierten, überwiegend schmelzflüs­ sigen Partikel der Partikelstrahlen 18 a bis 18 d auf den an der Zykloninnenwandung rotierenden Schmelzefilm auftreffen. Die Rotationsrichtung des Schmelzefilms ist durch die Pfei­ le 19 a bis 19 d des Wirbels der sich im Schmelzzyklon bil­ denden Abgase bzw. Verbrennungsgase angezeigt.

Die Partikelstrahlen 18 a bis 18 d werden als gebündelte Freistrahlen mit einer Stoffstromdichte größer 50 kg/m² · sec, die bis 5000 kg/m² · sec und darüber gestei­ gert werden kann, und mit einer hohen, eine Rückzündung im Strahl ausschließenden Geschwindigkeit als etwa horizontale Sekanten in den Schmelzzyklon eingedüst, bei der mit Sauer­ stoff betriebenen Düse 12 d mit über 35 m/sec und bei den mit Luft bzw. mit Sauerstoff angereicherter Luft betriebe­ nen Düsen 12 a bis 12 c mit über 100 m/sec, z. B. 177 m/sec, gemessen jeweils an der Düsenmündung. Bei sehr hohen Tempe­ raturen von 2000°K und darüber reagieren die Partikel im Partikelstrahl mit den mit starkem Wirbel rotierenden hei­ ßen Gasen 19 a bis 19 d in Bruchteilen von Sekunden und die nicht verflüchtigbaren Bestandteile schmelzen. Während die Partikelstrahlen 18 a bis 18 c durch die im Zykloninneren rotierenden heißen Gase 19 a bis 19 c selbst gezündet werden, wird gemäß Ausführungsbeispiel der Zeichnung in den Ring­ raum der Düse 12 d ein eigenes Zündgas 20 eingeleitet, wo­ durch an der Düsenmündung eine den Partikelstrahl 18 d ring­ förmig umgebende, in der Zeichnung gepunktet dargestellte Zündflamme 21 entsteht, durch die der Partikelstrahl 18 d spontan gezündet wird.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Partikelstrahls bzw. der Partikelstrahlen werden die Reaktionsbedingungen im Schmelzzyklon insofern verstärkt, als sowohl die Abgase 19 a bis 19 d als auch der an der Zykloninnenwandung sich bildende Schmelzefilm in kräftige Rotation versetzt werden. Beide Phasen, d. h. die Schmelze und die sehr hoch an SO₂ angereicherten Abgase verlassen den Schmelzzyklon über die an seinem Unterende gelegene zentrische Austrittsöffnung 11. Wie aus der Zeichnung deutlich hervorgeht, sind die Einblasdüsen 12 a bis 12 d derart angeordnet, daß sich die aus den Düsen sekantial austretenden Partikelstrahlen 18 a bis 18 d nicht gegenseitig treffen. Ein Überschneiden der Partikelstrahlen kann auch dadurch vermieden werden, daß die Auftreffstellen der Partikelstrahlen an der Zyklonin­ nenwandung gegenüber der jeweils benachbarten Einblasdüse in der Höhe jeweils versetzt zueinander liegen, was durch geringfügige Neigung der Partikelstrahlen aus der gemeinsa­ men horizontalen Zyklonquerschnittsebene erreicht werden kann.

Das erfindungsgemäße Partikelstrahlschmelzen im vertikalen Schmelzzyklon ist auch für schwierig zu verarbeitende Ein­ satzstoffe leistungsfähig anwendbar, z. B. zur Gewinnung von Wertmetallen aus komplexen Erzkonzentraten oder aus bis heute auf Halde deponiertem reaktionsträgem Material, z. B. Räumasche, die schwer entflammbare graphitierte Kohle ent­ hält.

Claims (9)

1. Verfahren zur Durchführung pyrometallurgischer Pro­ zesse mit feinkörnigen, bei Behandlungstemperaturen schmelzflüssige Produkte ergebenden Feststoffen, ins­ besondere Nichteisenmetallerzkonzentraten und Sauer­ stoff enthaltenden Gasen, bei dem die Feststoffe mit den Gasen zu einer Suspension vermischt durch eine Düse in einen Reaktionsraum eingeblasen werden, in dem die Feststoffe in einem Partikelstrahl hoher Stoffstromdichte und hoher Temperatur zur Reaktion gebracht und geschmolzen werden, nach Patent 32 12 100.8, dadurch gekennzeichnet, daß der Parti­ kelstrahl als gebündelter Freistrahl mit einer Stoff­ stromdichte größer 50 kg/m² × sec und mit einer hohen, eine Rückzündung im Strahl ausschließenden Ge­ schwindigkeit größer 35 m/sec durch den Reaktions­ raum 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 vertikalen Schmelzzyklon eingedüst wird derart, daß der Partikelstrahl eine mit Abstand von der Zykloninnenwand gelegene horizontale Sekante zum Zyklonumfang bildet.

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 bis 40% O₂ enthält, der Feststoff/Primärluft-Sus­ pension im Bereich der Düsenmündung gegebenenfalls ebenfalls mit O₂ angereicherte Sekundärluft zuge­ mischt 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 Reak­ tionsraum bildenden vertikalen Schmelzzyklon in einer horizontalen Zyklonquerschnittsebene liegend mehrere, insbesondere 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 Partikel­ strahls mit hoher Strahlkraft an der der Einblasdüse gegenüberliegenden Seite auf den an der Zykloninnen­ wand rotierenden Schmelzefilm gerichtet werden.

7. Vorrichtung zur Durchführung pyrometallurgischer Pro­ zesse mit feinkörnigen, bei Behandlungstemperaturen schmelzflüssige Produkte ergebenden Feststoffen, ins­ besondere Nichteisenmetallerzkonzentraten und Sauer­ stoff enthaltenden Gasen, umfassend einen Schmelzzy­ klon mit wenigstens einer am Zyklonmantel angeordne­ ten Einblasdüse zum Einblasen einer Feststoff/Gas- Suspension, dadurch gekennzeichnet, daß die Einblas­ düse (12 a bis 12 d) so im Zyklonmantel (10) angeordnet ist, daß die Düsenaustrittsöffnungen für die als ge­ bündelter Partikelstrahl (18 a bis 18 d) 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) vertikal angeordnet und im oberen Wandbereich mit mehreren, insbesondere vier über den Umfang verteilten Einblasdüsen (12 a bis 12 d) ausgestattet ist.

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