DE3638204A1 - Verfahren und vorrichtung zur verhuettung schmelzbarer stoffe wie erzkonzentrat unter ausnuetzung des unverbrauchten reduktionsgases aus dem aufblasprozess im schmelzzyklon - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verhüttung schmelzbarer Stoffe wie Erzkonzentrat, bei dem die Stoffe in der oxidierende Atmosphäre eines Schmelzzyklonofens geschmolzen und die Schmelze zur Gewinnung von Wertmetallen durch Aufblasen reduzierender Gase nachbehandelt wird. Aus DE-OS 23 48 105 ist ein thermisches Verfahren zur kontinuierlichen Gewinnung von Metallen und/oder Metallverbindung aus Erzen, Konzentraten oder metallhaltigen Zwischenprodukten bekannt, bei welchem die Ausgangsstoffe in einem Schmelzzyklonofen aufgeschmolzen, mit einer Aufblaslanze metallurgisch behandelt und dann über eine Zentrifuge in Metall- und Schlackephase getrennt werden. Durch die Nachbehandlung der Schmelze mit Reduktionsgas aus nur einer Aufblaslanze bleiben die gebildete spezifisch leichtere Schlackenphase und die spezifisch schwerere Metallsteinphase miteinander vermischt im Schmelzesammelherd, werden von dort an einer gemeinsamen Stelle abgezogen und müssen anschließend in einer eigenen Zentrifuge voneinander getrennt werden. Außerdem wird mit der bekannten Aufblastechnik außer Reduktionsarbeit keine andere Nachbehandlung der Schmelze durchgeführt.

Weiterhin ist aus DE-PS 29 22 189 ein Verfahren zur Verhüttung schmelzbarer Stoffe wie Erzkonzentrat und gleichzeitiger Gewinnung von Wertmetallen bekannt, bei dem zur Nachbehandlung der Schmelze in einem Aufblasreaktor Reduktionsgase durch mehrere Lanzen aufgeblasen werden, und die gebildete Schlackenphase und die spezifisch schwerere metallhaltige Phase voneinander getrennt abgezogen werden.

Da es in vielen Fällen wünschenswert oder gar erforderlich ist, das Abgas aus dem Schmelzzyklonofen von dem Aufblasreaktor fernzuhalten, ist bei diesem Verfahren der Einbau einer Trennwand möglich, die den Aufblasreaktor gegen den Schmelzzyklonofen abschließt. Eine solche Anordnung verlangt aber zwei getrennte Abgassysteme.

Bei der Ausführung ohne Trennwand und einem Abgassystem kommt es bei vielen Anwendungsfällen zu einem störenden Einfluß der oxidierenden Gase aus dem Schmelzprozeß auf die reduzierende Atmosphäre des Aufblasreaktors. So kann es bei einer Schmelze aus Kupferstein und Schlacke durch die Reaktion des Bades mit den schwefelhaltigen Gasen zu einer Schlackenaufschwefelung kommen, was letzlich dazu führt, daß sich der relative Kupfergehalt der Steinphase verringert. Auch kann eine Reihe anderer Verunreinigungen durch Rückreaktion mit der Schmelze deren Qualität mindern.

Da die Umsetzung der Reduktionsgase im Aufblasreaktor nicht vollständig ist, gelangen Gasanteile, die hauptsächlich aus CO und H₂ bestehen in das Abgassystem, wo sie nachverbrannt werden müssen. Die freiwerdende Energie ist häufig nicht nutzbar, was die gesamte Energiebilanz des Prozesses negativ beeinflußt.

Es soll deshalb die Möglichkeit geschaffen werden, unter Beibehaltung oder Verbesserung der metallurgischen Ziele des Verfahrens, die bei der Verbrennung der unverbrauchten Reduktionsgase freiwerdende Energie und eventuell auch deren Reduktionspotential im Prozeß direkt zu nutzen.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch, daß die Abgasführung umgekehrt wird, d. h., das Abgas wird im Gegenstrom zur Schmelze durch den Zyklon geführt. Durch Zugabe des proportionierten Sauerstoffanteils (angereicherte Luft, technisch reiner Sauerstoff) werden die unverbrauchten Gasbestandteile im Zyklon verbrannt und decken hier zumindest einen Teil des aufzuwendenden Wärmebedarfs.

Beim Schmelzen von sulfidischen Material ist bekannt, daß unter Verwendung von technischen reinem Sauerstoff der Prozeß im Zyklon autogen verläuft. In diesem Fall erlaubt ein Schmelzprozeß unter Anwendung der vorliegenden Erfindung die Substitution des kostenintensiven technischen Sauerstoffs durch Luft. Abhängig vom Reduktionsgrad im Aufblasteil sowie vom Wirkungsgrad des Reduktiongases im Aufblasreaktor ist eine vollständige Substitution des technischen Sauerstoffs durch Luft denkbar, ohne nachteilige Auswirkung auf den Verfahrensablauf.

In manchen metallurgischen Anwendungsfällen ist eine reduzierende Atmosphäre im Zyklon erforderlich. In diesen Fällen kann das aus dem Aufblasreaktor stammende unverbrauchte Reduktionsgas zur weiteren Reduktion und somit zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades eingesetzt werden. Hierbei substituieren die unverbrauchten Gasbestandteile des Aufblasreaktors zum einen Teil den Brennstoffbedarf und zum anderen den Reduktionsmittelbedarf. Der Energieinhalt dieser Gase wird direkt im Prozeß ausgenutzt. Gleichzeitig reduziert sich das Abgasvolumen.

Bisher wurde unterstellt, daß die Gastemperatur im Aufblasreaktor geringer als die Gastemperatur im Zyklon ist, d. h. keine Ausnutzung der fühlbaren Wärme des Aufblasreaktorabgases im Zyklon erfolgen kann. Es sind jedoch ebenso Anwendungsfälle denkbar, bei denen auch diese fühlbare Wärme ausgenutzt werden kann. Für diesen Fall wäre auch eine oxidierende bzw. neutrale Atmosphäre im Aufblasreaktor denkbar und im Sinne der Erfindung sinnvoll.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann nur Abgas aus dem Aufblasreaktor in den Schmelzofen kommen, welches im wesentlichen aus den unverbrauchten Reduktionsgasen, also CO und H_2, besteht. Eine Minderung der Produktqualität durch Rückschwefelung wird damit unterbunden. Durch die tangentiale Strömung des Gases wird nicht nur der Stoffaustausch im Zyklon verbessert, sondern gleichzeitig auch dessen Drallwirkung erhöht. Die Zugabe von Heißluft, Sauerstoff, Konzentrat und Brennstoff in verschiedenen Ebenen erlaubt eine gezielte Einstellung des Prozeßablaufes über das Zyklonprofil.

Der Reaktor besitzt keine separate Auslaßöffnung für das Abgas. Deshalb müssen alle während des Prozesses anfallenden Gase den Schmelzzyklon passieren, der eine obenliegende Gasaustrittsöffnung besitzt, ehe sie in einer Gasreinigung von Schadstoffen befreit werden.

Der Schmelzzyklonofen besitzt einen aus der Schmelzphase bestehenden Sumpf und eine gekühlte Bodenplatte. Dadurch friert ein kleiner Teil der Schmelze aus und bildet so einen wirksamen Schutz für das Feuerfestmaterial an dieser Stelle. Vergleichbares gilt für die gekühlte Rinne am Bodenablauf. Die druckdichte Ausführung des Aufblasreaktors in Verbindung mit dem Schmelzzyklon als einzigem Gasauslaß verhindert auf wirkungsvolle Weise das Eindringen von Falschluft in den Reaktor. Die erfindungsgemäße Anlage wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die schematischen, zeichnerischen Darstellungen weiter ins einzelne gehend beschrieben.

In Abb. 3. ist anhand einer Prinzipskizze die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Anlage mit Beschickung (1) und Abgasführung (2) im Vergleich zum Stand der Technik, der in den Abb. 1 und 2 gezeigt ist. Abb. 1 zeigt ein System mit Trennwand zwischen Schmelz- und Aufblasreaktor und getrennter Abgasführung.

In Abb. 2 ist ein System nach dem Gleichstromprinzip mit nur einem Abgasauslaß (2) dargestellt.

Die Abb. 4. zeigt eine pyrometallurgische Ofenanlage zur Verhüttung von feinkörnigem Erzkonzentrat, mit einem Schmelzreaktor (3) und einem Aufblasreaktor (4). Der Schmelzreaktor ist ein Schmelzzyklonofen, dessen Wände und speziell der Boden des Sumpfes vorzugsweise mit Wasser gekühlt werden (8). Der Zyklon, in Abb. 5 ist eine um 90° um die Längsachse gedrehte Seitenansicht dargestellt, besitzt tangentiale Zuführungen (1) für das Reaktionsgemisch bestehend aus Konzentrat, Brennstoff und Sauerstoff bzw. Heißluft (siehe auch Draufsicht in Abb. 6). Er ist über eine gekühlte Bodenablaufrinne mit dem Aufblasreaktor verbunden. Durch dessen Decke sind mehrere im wesentlichen senkrechte Aufblaslanzen (5) geführt. Es sind jedoch auch Anwendungsfälle denkbar, wo es sinnvoll ist, statt der Aufblaslanzen Tauch- oder Bodendüsen zu verwenden. Auf der dem Zyklon gegenüberliegenden Stirnfläche des Aufblasreaktors befindet sich mindestens eine Auslaßöffnung für die Schmelze. Vorzugsweise sieht man separate Auslässe für Schlacke-(7) und Metallphase (6) vor.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben.

Ein Gemisch aus dem zu schmelzenden Konzentrat und Brennstoff, beispielweise gemahlene Kohle, wird mit Hilfe eines Förderfluids, beispielsweise Luft, zu den Zykloneinlässen (1) gefördert, dort zusammen mit hochbeschleunigter Heißluft oder reinem Sauerstoff in den Zyklon entspannt und gezündet. Dadurch erhitzt sich das Gut in Bruchteilen von Sekunden auf hohe Temperatur und wird, noch während es sich im Schwebe- bzw. Wirbelzustand befindet, geröstet und geschmolzen. Die Verbrennung des Sulfidschwefels und ggfs. anderer oxidierbarer Bestandteile in der Sauerstoffatmosphäre liefert meist bereits genügend Wärme um den Röst- und Schmelzvorgang autogen ablaufen zu lassen.

Es versteht sich, daß in der pyrometallurgischen Ofenanlage außer sulfidischem Kupfererzkonzentrat auch andere NE-metallhaltige Erze bzw. Konzentrate sowie auch Rückstände und Schlacken metallurgischer Prozesse verarbeitet werden können, um metallangereicherte Produkte zu gewinnen.

Im Sumpf des Schmelzzyklons, der durch eine feuerfeste Stampfmasse (9) geschützt ist, sammelt sich die Schmelze und fließt dann in den Aufblasreaktor (4), wo sie metallurgisch nachbehandelt wird. Der Aufblasreaktor ist mit im wesentlichen senkrechten Aufblaslanzen (5) ausgerüstet, durch die kontinuierlich unverbrauchtes, frisches Reduktionsgas in Form eines gebündelten Strahls mit hoher kinetischer Energie an die Phasengrenzschicht Schlacke / Schmelze herangeführt wird, vorzugsweise so, daß ein Spritzen des Bades vermieden wird. Die Lanzen sind vorzugsweise höhenverstellbar, um den optimalen Blaseindruck auf der Schmelzbadoberfläche genau einstellen zu können. Die Reduktionsgase, z. B. ein gasförmiger Kohlenwasserstoff wie Propan, können zur genauen Einstellung des Reduktionspotentials unterstöchiometrisch mit Sauerstoff vermischt sein. Auf diese Weise lassen sich bestimmte selektive Raffinationen der Schmelze durchführen. Das mit den Lanzen (5) auf die Schmelze aufgeblasene Brenngas wird am Auftreffpunkt auf die heiße Schmelzbadoberfläche zur Verbrennung gebracht, so daß dort ein optimaler Wärmeübergang auf das Schmelzbad erzielt wird. Insbesondere bei endothermen Reduktionsvorgängen lassen sich so die jeweils optimale Reduktionstemperatur für die Schmelze, sowie die Bedingungen für gewünschte Verflüchtigungsreaktionen einstellen.

Durch unterschiedliche Fahrweise der einzelnen Lanzen bzw. Lanzengruppen, nämlich reduzierend, neutral oder oxidierend können alle Möglichkeiten einer Schmelze- und/oder Schlackenkonditionierung, sowohl was die Stoffübertragung als auch die Wärmeübertragung betrifft, durchgeführt und optimiert werden. Die völlig geschlossene und druckdichte Bauweise des Aufblasreaktors unterbindet jegliches Eindringen von Falschluft. Das Gas aus dem Aufblasteil strömt der Schmelze aus dem Zyklon entgegen. Im Zyklon selbst werden die unverbrauchten Anteile des Reduktionsgases verbrannt und decken so einen Teil des Energiebedarfs des Schmelzprozesses. Das Abgas tritt nach oben aus dem Schmelzzyklonofen aus und gelangt direkt in die Abgasreinigung. Die wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind also:

• 1. Ausnutzung des Energieinhaltes des Reduktionsgases aus dem Aufblasreaktor bei gleichzeitig reduziertem Gesamtabgasvolumen.
• 2. Sicherstellung der Reaktionsbedingungen im Aufblasreaktor durch das Unterbinden von Falschlufteinbrüchen.
• 3. Qualitätsverbesserung der Schmelze durch das Verhindern einer Reaktion mit den Röstgasen, besonders bei der Metallproduktion.

Claims (10)

1. Verfahren zur Verhüttung schmelzbarer Stoffe wie Erzkonzentrat, bei dem die Stoffe in der oxidierenden Atmosphäre eines Schmelzzyklonofens geschmolzen und die Schmelze zur Gewinnung von Wertmetallen durch Aufblasen reduzierender Gase nachbehandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas aus dem Aufblasreaktor, bestehend im wesentlichen aus CO, H_2, Metalldampf oder Dämpfen von Metallverbindungen im Gegenstrom zur Flußrichtung der Schmelze geführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das im wesentlichen CO und H₂ enthaltende Abgas aus dem Aufblasreaktor als Zusatzbrennstoff für den Betrieb des Schmelzzyklonofens verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das im wesentlichen CO und H₂ enthaltende Abgas aus dem Aufblasreaktor als Reduktionsmittel im Schmelzzyklonofen verwendet wird, wenn dieser reduzierend betrieben wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das im wesentlichen CO und H₂ enthaltende Abgas aus dem Aufblasreaktor tangential aufsteigend in den Schmelzzyklonofen eingeführt wird, während die Schmelze tangential absinkend aus dem Schmelzzyklonofen ausgetragen wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Konzentrat, Primärbrennstoff und Verbrennungsluft und/oder Sauerstoff dem Schmelzzyklonofen in einer oder mehreren Ebenen tangential aufgegeben werden.

6. Reaktor zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5, bestehend aus einem stehenden Schmelzzyklonofen und einem Aufblasteil mit senkrechten Lanzen, dadurch gekennzeichnet, daß keine separate Auslaßöffnung für das Abgas vorgesehen ist.

7. Reaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzzyklonofen eine obenliegende Gasaustrittsöffnung besitzt.

8. Reaktor nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzzyklon einen Sumpf mit gekühltem Boden für die von den Wänden ablaufende Schmelze besitzt.

9. Reaktor nach den Ansprüchen 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Bodenablauf des Schmelzzyklonofens als gekühlte Rinne ausgeführt ist.

10. Reaktor nach den Ansprüchen 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufblasreaktor als druckdichtes Gefäß ausgeführt ist.