DE3639343C2 - Verfahren und Anlage zur pyrometallurgischen Verhüttung von feinverteilten Materialien - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die pyrometallurgische Verhüttung von feinverteilten Erzen, Konzentraten, Rückständen, Steinschmelze (mattes), Schlacken und ähnlichen Materialien, insbesondere das Verfahren und die Anlage zur Durchführung einer derartigen Verhüttung.

Die Gewinnung elementarer Metalle aus Materialien, in denen diese auftreten, wie beispielsweise in natürlicher Form in Form von Erzen sowie künstlich in Form von Schlacken und Rückständen, ist einer starken Wandlung, verursacht durch die immerzu ansteigenden Energiekosten sowie durch erhöhte Umweltschutzmaßnahmen, ausgesetzt. Die Chemie derartiger Gewinnungsverfahren ist alt und gut bekannt; grundsätzlich liegt das Problem darin, elementares Metall von anderen chemischen Elementen oder Verbindungen, mit denen dieses verbunden ist, wie beispielsweise Sauerstoff (Oxide) und Schwefel (Sulfide), zu trennen. Die bekannte Lösung hierzu war es bisher, Energie, in welcher Form und Höhe auch immer benötigt, einzusetzen, um die Gewinnung zu bewirken, wobei die Art der in solchen Gewinnungsverfahren angefallenen Nebenprodukte bzw. deren Auswirkung auf die Umwelt nur geringfügig berücksichtigt wurde. Dieses Vorgehen kann von einem wirtschaftlichen, umweltbewußten bzw. gesetzlichen Standpunkt nicht länger toleriert werden. Somit zielt die neue Linie hinsichtlich der Metallgewinnungstechnologie auf Kapitalminimierung, energetischen Nutzungsgrad, Produktausbeute, Nebenproduktwiederaufbereitung - insbesondere feste, flüssige sowie gasförmige Nebenprodukte umfassend - sowie Abflußüberwachung. Ein bemerkenswertes Beispiel für vorstehendes Problem ist die Produktion von Zink. Zink in seiner elementaren Form ist nicht dafür bekannt, daß es als Metall in der Natur vorkommt und muß deshalb aus zinkeisenhaltigen Materialien mittels ausgewählter Verfahren gewonnen werden. Diese Verfahren, die bisher bzw. zur Zeit kommerziell verwendet werden, können klassifiziert werden in

• (a) horizontale Retorte,
• (b) vertikale Retorte,
• (c) elektrothermische Verfahren,
• (d) Hochofen
• (e) elektrolytische Verfahren.

Die thermischen Verfahren, nämlich (a) bis (d) beruhen im allgemeinen auf dem Prinzip der karbothermischen bzw. Kohlenstoff- Reduktion zur Gewinnung von Zink aus zinkhaltigen Materialien. Kohlenmonoxidgas (CO) oder fester Kohlenstoff ist das primäre Reduktionsmittel bei diesen Verfahren, wobei Zinkoxid zu Zinkmetall jedoch nur bei Temperaturen, die gewöhnlich weit über dem Verdampfungspunkt von elementaren Zink, von 907°C (1664,6°F) liegen, reduziert werden kann. Große Energiemengen werden zum Erreichen und Halten solcher Temperaturen verbraucht.

Die traditionellen thermischen Verfahren leiden an mehreren Nachteilen, insbesondere der Notwendigkeit, ein hartes, agglomeriertes Aufgabegut herzustellen, um dem Brennprozeß zu widerstehen; langsame Reaktionsgeschwindigkeiten, die gewöhnlich lange Verweilzeiten in einer sehr großen bzw. in zahlreichen kleinen Reaktoreinheit(en) erfordern; Verbrauch großer Energiemengen sowie teurer Energieformen wie Koks, Holzkohle, Elektrizität sowie Erdgas - in manchen Fällen wegen der indirekten Beheizung des Aufgabegutes -; sowie hohe Kapital- und Betriebskosten pro Produktionseinheit, wodurch, um die Wirtschaftlichkeit zu erhalten, relativ große Fabrikkapazitäten erforderlich werden. Ebenso leidet auch das elektrolytische Verfahren, wenngleich technisch fortschrittlicher als die meisten der thermischen Verfahren, an hohen Kapital-, Energie- und Betriebskosten.

In den letzten Jahren wurden weltweit zahlreiche Anstrengungen unternommen, um einige der der traditionellen thermischen Erschmelzung anhaftenden Nachteile zu beseitigen. Diese Anstrengungen resultieren in verschiedenen Methoden der Wiederaufbereitung von metallischen Werkstoffanteilen aus feinverteilten Erzen, Konzentraten, Schwefelkiesabbränden (calcines) sowie Schlacken durch Schwebeschmelzen (flash smelting) in reaktorähnlichen Behältern. Schwebeschmelzen erfordert keine Voragglomeration des metallhaltigen Aufgabegutes, hat eine hohe volumetrische Durchsatzrate (bzw. kurze Verweilzeiten), es können billigere Arten thermischer Energie wie feiner Koks, Kohle, Holzkohle, Abfallkohlenstoff und/oder sulfidische Brennstoffe verwendet werden; sie kann in einfacher Weise automatisiert werden; sie kann des öfteren mit Sauerstoff beblasen werden, wodurch das zu behandelnde Abgasvolumen sowie dessen Nachteile vermindert werden. Diese Methode hat demnach generell eine bessere Energieausnutzung sowie niedrigere Betriebskosten als die traditionellen Methoden. Weiterhin stellen derartige Reaktoren generell geringere finanzielle Anforderungen und die Größe einer Einheit kann wesentlich kleiner sein als bei den traditionellen Ofeninstallationen der gleichen Kapazität.

Beispiele des gerade erwähnten Verfahrens sind in folgenden Schriften beschrieben:
U. S. Patent No. 3 271 134 (Zinkschwefelkiesabbrand - zinc calcine); U. S. Patent No. 3 607 224 (Eisenerz); "Flash Smelting of Lead concentrates", Bryk et al., J. of Metals, Dec. 1966, 1298-1302; "The KIVECT Cylone Smelting Process for Impure Copper Concentrates", Melcher et al., J. of Metals, July 1976, 4-8; "The Boliden INRED Process for Smelting Reduction of Fine-Grained Iron Oxides an Concentrates", Elvander et al., Third Int. Iron & Steel Cong. Proc., April 1978, Chicago, IL, 195-200; and "The Chemistry of the ELRED Process" (Eisenerz), Bengtsson et. al., I & SM, Oct. 1981, 30-34.

Diesen Verfahren widerfuhr unterschiedlicher Erfolg; alle scheinen jedoch Grenzen zu besitzen, welche durch (a) die Komplexität sowie den Aufwand an Zubehörausstattung, die zur Durchführung derselben benötigt wird, (b) durch die Unmöglichkeit, verschiedene Arten von Beschickungsmaterialien zu verarbeiten, und/oder (c) durch die Schwierigkeit der Steuerung und Stabilisierung der Verfahrensparameter verursacht werden. Einige dieser Verfahren sind nie kommerziell betrieben worden. Generell sind die meisten kommerziellen Schwebeschmelzeinheiten auf eine einstufige Oxidation der sulfidischen Beschickungsmaterialien begrenzt, während andere Verfahren zur Behandlung der oxidischen Beschickungsmaterialien mehr als eine Stufe oder einen Reaktor beinhalten.

Die hier dargestellte Erfindung ist auf einige der der augenblicklichen Schwebeschmelztechnologie anhaftenden Nachteile gerichtet.

Die vorliegende Erfindung wird der aktuellen Nachfrage an Effizienz hinsichtlich des Energieverbrauches sowie der umweltbewußten Steuerung durch die Schaffung eines pyrometallurgischen Verhüttungsverfahrens zur Gewinnung von z. B. metallischen Wertstoffen aus Erzen und anderen komplexen Verbindungen in einem einzelnen Reaktor mit mehreren Stufen gerecht. Die Erfindung gewährleistet weiterhin eine vollständigere Reaktion der Komponenten und erzeugt wünschenswertere Produkte bei niedrigeren Energiekosten pro Einheit als bisher möglich.

Die vorliegende Erfindung überwindet somit die Nachteile, die den älteren Schwebeschmelzreaktorverfahren vom Suspensionstyp anhafteten, durch die Möglichkeit ausgedehnter Kontrollführungen innerhalb des Reaktors, effizientere Nutzung des Brennstoffes sowie wünschenswertere Endprodukte vom Standpunkt der Zusammensetzung sowie der Ausbeute; weiterhin besitzt der Reaktor der vorliegenden Erfindung ein kompakteres Ausmaß, eine relative einfache Konstruktion und ist demnach weniger teuer als die bekannten Reaktoren.

Weitgefaßt umfaßt das Verfahren in der Erfindung folgende Schritte:

Versorgen einer ersten vertikal verlaufenden Kammer mit heißen, brennstoffreichen Reaktionsgasen;
Einströmenlassen der heißen Gase durch Fallströmung (dump flow) in eine zweite vertikal verlaufende Kammer;
Einleiten der feinverteilten, zu verhüttenden Materialien in diese zweite Kammer;
und Reaktion dieser feinverteilten Materialien mit den heißen, brennstoffreichen Reaktionsgasen. Vorzugsweise werden die heißen, brennstoffreichen Reaktionsgase durch Bildung eines Reaktionsgemisches aus einer brennstoffhaltigen Substanz wie feine Kohle oder Koks und einem oxidierenden Gas, wie Sauerstoff, Luft oder sauerstoffangereicherter Luft in der ersten Kammer sowie durch weitgehendes Reagieren der Mischung innerhalb der ersten Kammer unter brennstoffreichen Bedingungen geschaffen.

Das Verfahren gemäß der Erfindung erfordert die Einrichtung einer gasdynamisch stabilen Reaktionszone in der ersten Kammer und einer gasdynamisch stabilen Reaktionszone in der zweiten Kammer. In der ersten Kammer wird diese Stabilität durch eine kombinierte Wirbel- und Fallbewegung (dump action) erreicht, wobei die letztere als das Produkt einer "Ringwirbel"- stabilisierten Strömung ("ring vortex" stabilized flow) angesehen werden kann, die durch die plötzliche Ausdehnung des Reaktionsgemisches, wenn dieses sich durch einen schnell anwachsenden Strömungsquerschnitt nach unten bewegt, verursacht wird. In diesem Sinn kann die erste Kammer des Verfahrensreaktors in zwei Kammern unterteilt werden, wobei die untere Kammer einen Durchflußquerschnitt besitzt, welcher größer ist als der Durchflußquerschnitt der darüberliegenden Kammer, in welcher die Mischung der Reaktionsteile stattfindet. Eine Fallbewegung findet dann statt, wenn das Reaktionsgemisch in den größeren Durchflußquerschnitt einströmt. Eine weitere gasdynamisch stabile Reaktionszone ist in der zweiten Kammer dahingehend erzeugt, daß das brennstoffreiche Reaktionsgemisch in Fallströmung abwärts in die zweite Kammer geleitet wird, welche einen Durchflußquerschnitt besitzt, der noch größer ist als der darüberliegende Durchflußquerschnitt. In dieser Beschreibung soll der Ausdruck "Verbrennung" die chemische Reaktion zwischen den Brennstoffen und einem sauerstoffhaltigen Gas zur Herstellung von festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen sowie Hitze bedeuten.

Die vorliegende Erfindung schafft weiterhin eine Anlage bzw. Vorrichtung zur Durchführung der pyrometallurgischen Verfahren, wie sie oben diskutiert wurden. Die Anlage umfaßt einen vertikalen Reaktor mit nacheinander angeordneten ersten und zweiten Stufen, wobei die erste Stufe, welche einen Abschnitt zur Mischung und zur Zündung der Reaktions-Bestandteile aufweist, den Fallabschnitt speist, der Ausgang des Fallabschnittes die zweite Stufe durch einen weiteren Fallabschnitt speist; die zweite Stufe einen Auslaß für das zu verhüttende Material besitzt; Einrichtungen zur Einleitung einer brennstoffhaltigen Substanz und einer oxidierenden Substanz mit der ersten Stufe verbunden sind, um innerhalb der ersten Stufe eine heiße Mischung der Reaktions-Bestandteile für die nachfolgende Reaktion zu erzeugen; und wobei die zweite Stufe mit Einrichtungen zur Einleitung des durch Reaktion mit der vorgenannten heißen Mischung der Reaktionsteile zu verhüttenden Materials verbunden ist, um das gewünschte, verhüttete Material zu erzielen, welches durch den Auslaß der zweiten Stufe austritt.

Ersichtlicherweise kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung die Verhüttung von Materialien entweder unter oxydierenden oder reduzierenden Atmosphären beinhalten. So können beispielsweise metallhaltige, sulfidische Beschickungsmaterialien wie beispielsweise Konzentrate in einer weitgehend oxidierenden Atmosphäre zur Reaktion gebracht werden, um einen Teil oder den ganzen Schwefel sowie unerwünschte Verunreinigungen zu entfernen, Hitze zu erzeugen sowie aufbereitete, geschmlozene oder feste Produkte wie Steinschmelze (mattes), Schlacken, die alle die wertvollen Metalle enthalten, oder elementare Metalle zu erzeugen. Die Behandlung von metallhaltigen oxidischen Beschickungsmaterialien wie Schlacken, Schwefelkiesabbrand (calcines) sowie Rückständen kann in einer weitgehend reduzierenden Atmosphäre durchgeführt werden. In diesem letzteren Beispiel werden die Kohlenstoff- und Wasserstoffverbindungen, die in den kohlenähnlichen Brennstoffen vorherrschen, teilweise oxidiert, um Kohlenmonoxyd und Wasserstoff als gasförmige Reduktionsmittel zusätzlich zu O₂, H₂O, Hitze und anderen geringerwertigen Verbindungen zu erzeugen. Die Metalloxide, die im Beschickungsmaterial vorhanden sind, werden dann zu elementaren Metallen in entweder gasförmiger oder geschmolzener Form für den nachfolgenden Aufschluß und der Trennung vom Ganggestein und ungewünschten Verunreinigungen reduziert, um konzentrierte Metallsteine oder elementare Metalle zu erzeugen. Alternativ dazu können elementare Metalldämpfe nachfolgend mit Luft oder Sauerstoff in Reaktion gebracht werden, um konzentrierte Metalloxide zu erzeugen. Die Begriffe "oxidierende Atmosphäre" und "reduzierende Atmosphäre" sind auf thermochemischem Gebiet gut bekannt. Die Steuerung der Bedingungen innerhalb des Reaktors ist ein wichtiger Gesichtspunkt für einen geeigneten Betrieb der Erfindung und erfordert exaktes Messen und Proportionieren der festen und gasförmigen Beschickungsmaterialien gemäß den gut bekannten, thermochemischen Prinzipien.

Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden bevorzugten Ausführungsformen ersichtlich, wobei diese Ausführungsformen mit den beigefügten Zeichnungen folgendermaßen in Beziehung stehen:

Fig. 1 ist eine verallgemeinerte Flußskizze, zur Illustration der Behandlungsstufen eines metallurgischen Beschickungsmaterials unter Anwendung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung, um geschmolzene und gasförmige Produkte zu erzeugen;

Fig. 2 zeigt den Verfahrensablauf, in dem der Reaktor der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt ist, und die Materialeinspeisungen zu diesem aufgezeigt sind;

Fig. 3 ist eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht eines gemäß der Erfindung aufgebauten Reaktors; und

Fig. 4 ist eine schaubildliche Darstellung zur Illustration der im Verfahren nach der Erfindung wirksamen Gasdynamiken;

In den Zeichnungen werden die gleichen Bezugszeichen zur Kennzeichnung gleicher oder ähnlicher Teile benutzt.

Fig. 1 zeigt in allgemeiner Form das von der Erfindung angewandte Verhüttungsverfahren. Eine Quelle einer brennstoffhaltigen Substanz und eine Quelle eines oxidierenden Gases versorgen einen vertikal angeordneten zweistufigen, allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichneten Reaktor, an dessen Oberseite. Abhängig von der Natur des in dem Verfahren zu behandelnden metallurgischen Beschickungsmaterial kann die brennstoffhaltige Substanz ein festes, kohleähnliches Material wie feine Kohle oder Koks, ein gasförmiger oder flüssiger Kohlenwasserstoff wie Naturgas, oder schwefelhaltiges Material, wie metallisches Schwefelerz, oder metallisches Schwefelkonzentrat sein. Die Natur der brennstoffhaltigen Substanz hängt von den Zielen der metallurgischen Verhüttung sowie des Wärmegleichgewichtes des Reaktors ab; ebenso kann die dem Reaktor 10 eingespeiste, oxidierende Substanz reiner Sauerstoff, mit Sauerstoff angereicherte Luft, gewöhnliche Luft oder eine andere gleichwirkende Substanz, was jeweils immer von den gewünschten reduzierenden oder oxidierenden Bedingungen und den gesamten metallurgischen Zielen des Behandlungsverfahrens abhängt, sein. Zweck des Einleitens der brennstoffhaltigen Substanz und der oxidierenden Substanz ist es, diese Mischung in der oberen Stufe des Reaktors 10 in steuerbarer Weise zu bilden und teilweise miteinander reagieren zu lassen, um ein heißes, brennstoffreiches Reaktionsgemisch zur weiteren Reaktion mit einem metallurgischen Beschickungsmaterial in der unteren Stufe des Reaktors 10 zu erzeugen.

Die Art des metallischen Beschickungsmaterials, welches gemäß dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung verhüttet werden soll, kann weit variieren. Beispiele solcher Materialien sind Metalloxide und Sulfide, wobei diese Materialien als feinverteilte Erze, Schlacken, Rückstände, Konzentrate und dgl. vorliegen können. Ein besonderes Beispiel eines zu behandelnden Materials ist Ofenschlacke (ein beim Schmelzvorgang von metalloxidischen Beschickungsmaterialien erhaltenes Nebenprodukt), welche hauptsächlich Zink als wiederaufbereitbares Material beinhaltet und welche nachfolgend detailliert erörtert wird.

In der unteren Stufe des Reaktors 10 kommt das metallische Beschickungsmaterial in feinverteiltem Zustand mit dem heißen, brennstoffreichen Reaktionsgemisch, welches stromaufwärts erzeugt worden ist, in Kontakt, um elementare Metalle in ihren bei den Reaktortemperaturen vorliegenden Standardzuständen (z. B. dampfförmig oder flüssig) zusammen mit geschmolzener Schlacke, geschmolzenen, metallhaltigen Stoffen (wie Gestein) und gasförmigen Nebenprodukten zu ergeben.

Die Reaktionsprodukte in der unteren Stufe des Reaktors 10 werden dann durch konventionelle, bekannte Methoden wiederaufbereitet oder behandelt; beispielsweise können sie einem Flüssigprodukt-Separator zugeführt werden, an dem jegliche flüssige Produkte wie geschmolzenes Metall, Metallgestein und Schlacke von den gasförmigen Stoffen abgetrennt werden. Die flüssigen Stoffe werden dann zur weiteren Abtrennung in verwendbare metallische Formen und Schlacke aus dem Verfahren entfernt. Die gasförmigen Stoffe der Reaktion in der unteren Stufe des Reaktors 10 können einer Betriebseinheit wie z. B. einem Kondensor, zur Umwandlung des metallischen Dampfes in die flüssige Zustandsform und zur Trennung dieser von den zurückbleibenden gasförmigen Bestandteilen zugeführt werden. Das Reaktorgas (weniger der metallische Dampf) kann dann für eine Wiederverwendung wiederaufbereitet werden oder so behandelt werden, daß es den Umweltschutzrichtlinien für ein Freilassen in die Atmosphäre gerecht zu werden. Die gasförmigen Produkte können auch mit Luft oder sauerstoffangereicherter Luft nachgebrannt werden, um ein relativ reines Metalloxidprodukt und wiederaufbereitbare Nebenproduktenergie zu schaffen.

Beschickungsanlage

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 soll eine Anlage zur Beschickung des Reaktors 10 mit Material beschrieben werden. Der Reaktor 10 umfaßt eine erste Stufe bzw. Führungsabschnitt (pilot section) 12, welcher aus einem oberen Führungsabschnitt 14 besteht, der vertikal und koaxial auf dem unteren Führungsabschnitt 16, der einen Gasinjektionsabschnitt 18 aufweist und vertikal und koaxial oberhalb einer zweiten Stufe 20, welche einen Beschickungsmaterial-Injektionsabschnitt 22 und einen Reaktorabschnitt 24 umfaßt, angeordnet ist. Gemäß der vorher dargelegten Verfahrensbeschreibung bilden der obere Führungsabschnitt 14, der untere Führungsabschnitt 16 sowie der Gasinjektionsabschnitt 18 zusammen die erste Kammer oder Stufe, während der Beschickungsmaterial-Injektionsabschnitt 22 und der Reaktorabschnitt 24 zusammen die zweite Kammer oder Stufe bilden.

Um den Betrieb des Reaktors 10 zu starten, ist eine Vorheiz- und Zündquelle durch einen Zünder 29 vorgesehen, in dem der kohlenwasserstoffhaltige Brennstoff in flüssiger und gasförmiger Form, wie z. B. Naturgas von der Quelle 28 mit Luft von der Quelle 36 gemischt und entzündet wird. Das entzündete Gas strömt durch eine Zündröhre 30, in der es mit dem durch die Röhre 33 strömenden oxidierenden Gas gemischt und zur Reaktion gebracht werden kann. Das entzündete Gas strömt daraufhin in den oberen Führungsabschnitt 14, wobei es diesen Abschnitt vorheizt und einen Zündherd für die anfängliche Strömung der brennstoffhaltigen Substanz schafft. Hält sich einmal die Reaktion der brennstoffhaltigen Substanz selbst aufrecht, wird der Betrieb des Zünders 29 beendet.

Eine brennstoffhaltige Substanz wird aus einer Trichter- Anordnung 40 und einer Rohrleitung 46 zugeführt. Abhängig von ihrer Art kann die brennstoffhaltige Substanz einem Fördergas wie z. B. Luft, welches in der Rohrleitung strömt, hinzugegeben werden. Die brennstoffhaltige Substanz wird daraufhin nach unten dem oberen Führungsabschnitt 14 zugegeben, wo es mit dem durch die Röhre 33 strömenden oxidierenden Gas in irgendeiner geeigneten Weise kontaktiert wird, um in der resultierenden Mischung aus Brennstoff und oxidierendem Gas eine intensive Wirbel-Mischbewegung zu erzeugen und die Reaktionen zwischen Brennstoff und oxidierendem Gas einzuleiten.

Das oxidierende Gas in der Röhre 33 kann Luft von der Quelle 36 sein, welche - wenn notwendig - mit reinem Sauerstoff der Sauerstoffquelle 52 gemischt sein kann. Das oxidierende Gas kann mittels Röhren 60 (A) dem Gasinjektionsabschnitt 18 in einer Weise zugeführt werden, daß es das heiße Reaktionsgemisch durchmischt, mit diesem reagiert sowie dieses stabilisiert, und es aus Luft der Quelle 36, die - je nach Notwendigkeit - mit reinem Sauerstoff der Quelle 52 gemischt sein kann, zusammengesetzt sein. Das oxidierende Gas, welches dem oberen Führungsabschnitt 14 durch die Röhre 33 und dem Gasinjektionsabschnitt 18 durch die Röhre 60 zugeführt wird, kann ähnliche oder verschiedene Zusammensetzungen aufweisen. Entweder einer oder beide oxidierende Gasströme können durch konventionelle Mittel vorgeheizt werden.

Das im Reaktor 10 zu behandelnde Beschickungsmaterial (F) wird in einem oder mehreren Trichtern 66 gelagert, anschließend gemessen und, nachdem es einem Fördergasstrom (Luft wie in Fig. 2 gezeigt, es kann jedoch auch Stickstoff oder ein anderes geeignetes Gas dazu verwendet werden) zugegeben worden ist, durch die Rohrleitungen 68 dem Beschickungsmaterial- Injektionsabschnitt 22 zugeführt. Die genaue Art der Einspeisung des Beschickungsmaterials in die zweite Stufe 20 am Beschickungsmaterial-Injektionsabschnitt 22 wird nachfolgend erläutert. Flußmittel oder eine zusätzliche brennstoffhaltige Substanz können dem Reaktor über eine Speiseanlage ähnlich der oben beschriebenen ebenfalls zugegeben werden.

Reaktorkonstruktion

In Fig. 3 ist der obere Führungsabschnitt 14 der ersten Stufe 12 als ein Abschnitt bestehend aus einer hohlzylindrischen Struktur mit oberen Begrenzungswänden 72, Seitenwänden 74 entsprechend sowie mit einem Flansch 76 dargestellt. Diese Wände und der Flansch können aus einer Hochtemperaturlegierung konstruiert und von außen durch Luftbesprühung oder einen Kühlmantel gekühlt werden. Der obere Führungsabschnitt 14 bildet den Misch- und Zündabschnitt der ersten Stufe 12 des Reaktors 10. Ein Fachmann erkennt, daß die Rohrleitungen zur Einführung der brennstoffhaltigen Substanz und des oxidierenden Gasgemisches in den oberen Führungsabschnitt 14 auf vielerlei Art relativ zueinander angeordnet sein können, um die gewünschte Wirbel-Mischbewegung zu erreichen. Direkt unterhalb und koaxial mit dem oberen Führungsabschnitt 14 verbunden befindet sich der untere Führungsabschnitt 16 in Form einer hohlzylindrischen Struktur mit einem inneren Durchmesser, welcher größer ist als der innere Durchmesser des oberen Führungsabschnittes 14. Dieses abrupte Ansteigen im Durchmesser verursacht eine "Fall"-Bewegung (dumping action) des Gemisches aus Brennstoff und oxidierendem Gas, welches in der vorher beschriebenen Weise im Reaktor 10 abwärts fließt. Der untere Führungsabschnitt 16 besitzt einen Hauptbrennabschnitt 78, welcher zwischen den Flanschen 80 und 82 verläuft und durch eine innere Wand 84, welche konzentrisch innerhalb der äußeren Wand 86 des größeren Durchmessers angeordnet ist, gebildet ist. Die innere Wand 84 kann aus korrosionsbeständigem Stahl hergestellt sein, während die äußere Wand 86 entweder auch aus korrosionsbeständigem oder aber aus unlegiertem Stahl bestehen kann. Geeignete Mittel wie etwa eine Rohrschlange oder Durchflußkanäle 88 können zwischen den Wänden 84 und 86 zur Zirkulation einer Kühlflüssigkeit wie z. B. Wasser angeordnet sein. Ein wahlweiser (nicht dargestellter Faltenbalg (expansion bellows) einer bekannten Bauart kann einen Abschnitt des Hauptbrennabschnittes 78 umgeben, um eine verschiedene Ausdehnung und Kontraktion der Wände 84 und 86 nach den bekannten Prinzipien auszugleichen. Die Menge der Kühlflüssigkeit, die durch die Kanäle 88 fließt sowie deren Kühlkapazität sollte derart angepaßt werden, damit die inneren Wände 84 Temperaturen in einer Höhe von 2750°C (5000°F) innerhalb des Hauptbrennabschnittes 78 ohne zu schmelzen aushalten und um eine Schlackeschicht auf der inneren Oberfläche der Wand 84 erstarren zu lassen.

Obwohl der Gasinjektionsabschnitt 18 - wie in Fig. 3 gezeigt - vom Hauptbrennabschnitt 78 entlang der Flanschlinie 82 trennbar ist, kann dieser lediglich als eine Erweiterung des Hauptbrennabschnittes 78 angesehen werden, wobei beide zusammen den unteren Führungsbrenn- (oder Fall-)abschnitt 16 darstellen. Der Gasinjektionsabschnitt 18 ist von der gleichen Konstruktion wie der Abschnitt 78, wobei ersterer eine innere Wand bestehend aus korrosionsbeständigem Stahl, eine äußere Wand aus korrosionsbeständigem Stahl oder unlegiertem Stahl sowie dazwischenliegende Kühlmittel fördernde Kanäle oder Rohrschlangen besitzt.

Wie am besten aus Fig. 3 zu ersehen ist, sind die beiden Gasinjektionsröhren 90 und 92 beispielsweise einander diametral gegenüberliegend an der Umfangsfläche des Abschnittes 18 angeordnet. Die Röhren 90 und 92 sind (über nicht vollständig dargestellte Vorrichtungen) mit der Röhre 60 des oxidierenden Gasstromes in dem System, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, verbunden. Die durch die Röhren 90 und 92 radial nach innen erfolgende Injektion des oxidierenden Gases in den Abschnitt 18 ist dazu bestimmt, den Turbulenzgrad der gasförmigen Abströmung des unteren Führungsbrenners 16 an dessen Auslaß zu erhöhen und die Reaktivität der Ströme in der zweiten Stufe 20 des Reaktors zu verbessern. Weiterhin fördern die radialen Injektoren dadurch, daß diese als gasdynamischer Durchflußbegrenzer auf die vom Führungsabschnitt kommende Strömung 16 wirken, die Begrenzung der Verbrennung innerhalb der ersten Stufe 12 des Reaktors 10. Gasdynamisch werden diese Effekte als "Auslösen" (tripping) der Fließgrenzschicht und "Quetschen" (pinching) des Massenstroms beschrieben. Diese Gasinjektion kann auch einen erhöhten Durchsatz ohne Vergrößerung der Länge des Führungsbrenners 16 ermöglichen sowie die Verbrennungsanlage stärken, um Druckschwankungen im Reaktor auszuhalten und schädliche Auswirkungen derartiger Schwankungen auf die Stabilität der Reaktion zu erniedrigen.

Die zweite Stufe 20 des Reaktors 10 ist ähnlich dem unteren Zuführungsabschnitt 16 der ersten Stufe 12 aufgebaut. So besteht die zweite Stufe 20 aus einer koaxial mit der ersten Stufe 12 ausgerichteten hohlzylindrischen Struktur mit einem inneren Durchmesser, welcher größer ist als der Durchmesser des darüberliegenden, unteren Führungsabschnittes 16. Wiederum bewirkt der abrupte Anstieg im Durchmesser eine Fallbewegung der reagierenden Bestandteile, die im Reaktor 10 abwärts strömen. Das zu behandelnde Beschickungsmaterial wird von Lagerbehältern 66 (vgl. Fig. 2) dem Speiseabschnitt 22 zugeführt und über zwei oder mehrere Röhren 94 und 96 (am besten zu sehen in Fig. 3) in die zweite Stufe injiziert. Der Speiseabschnitt 22 ist entsprechend durch innere und äußere zylindrische Wände mit dazwischen angeordneten Elementen zur Zirkulation einer Kühlflüssigkeit gebildet.

Der restliche Abschnitt der zweiten Stufe 20, nämlich der Reaktorschaft 98, ist durch einen oder mehrere ähnliche hohlzylindrische Abschnitte 100 sowie einen Auslaßabschnitt 102 aufgebaut. Jeder Abschnitt 100 des Reaktorschaftes 98 besteht aus einer inneren Wand 104, einer äußeren, konzentrisch dazu angeordneten Wand 106 sowie dazwischen angeordneten Elementen 108 zur Zirkulation eines Kühlmittels. Die Wände 104 und 106 sind vorzugsweise aus korrosionsbeständigem Stahl und unlegiertem Stahl entsprechend hergestellt. Ein wahlweiser, nicht dargestellter Faltenbalg kann jeden Abschnitt 100 umhüllen. Die innere Oberfläche der inneren Wand 104 eines jeden Abschnittes 100 muß in geeigneter Weise geschützt werden, um den Einwirkungen der mit festen sowie flüssigen Bestandteilen beladenen, ausströmenden Gasen bei Temperaturen, welche 1750°C (3200°F) übersteigen können, zu widerstehen. Die Anordnung zur Zirkulation von Kühlmittel zwischen den Wänden 104 und 106 soll im Stande sein, genügend Wärme von den Wänden abzuziehen, um vorzugsweise einen dünnen, schützenden Belag von erstarrter Schlacke an der inneren Oberfläche zu erzeugen. Eine mögliche Reaktorkonstruktion beinhaltet die Befestigung einer Vielzahl von Stiften aus einer hochtemperaturbeständigen Legierung an der inneren Wand 104, um den Wärmeaustausch zur Kühlummantelung zu fördern und einen zusätzlichen, mechanischen Halt für die erstarrte Schlackenschicht zu schaffen. Andererseits kann die innere Oberfläche der inneren Wand 104 eines jeden Abschnittes 100 mit einem hochtemperaturbeständigen (<2000°C [<3650°F]), feuerfesten Material 110, wie etwa hochtonerdehaltiges Material, Chromoxidsteine, oder phosphatgebundene, plastische Materialien ausgekleidet sein. Das Feuerfestmaterial 110 soll hinsichtlich seiner Eigenschaften resistent gegen geschmolzene Schlacken, geschmolzene Metalle, Metalldämpfe, Temperaturwechsel und Abrasion sein und eine hohe thermische Leitfähigkeit sowie niedrige thermische Ausdehnung besitzen. Das Feuerfestmaterial 110 kann auch in Verbindung mit den oben genannten Stiften dahingehend verwendet werden, daß das Feuerfestmaterial als Startschutzschicht dient, welche allmählich zum Teil oder im Ganzen durch die erstarrte Schlacke während des Reaktorbetriebes ersetzt wird. Der Auslaßabschnitt 102 ist ähnlich den Abschnitten 100, jedoch in einer konischen Form aufgebaut und umfaßt einen Auslaß 112 zum Entfernen der innerhalb des Reaktorschaftes 98 vorliegenden Reaktionsprodukte.

Verfahren

Die Beschreibung des Verfahrens umfaßt eine Erläuterung der Gasdynamik, von der angenommen wird, daß sie in dem Reaktor wirksam ist. Bezugnehmend auf die Fig. 2, 3 und 4, insbesondere auf Fig. 4 erzeugt der Zünder 29, welcher einen kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff und oxidische Gase verwendet, beim Anfahren des Verfahrens eine Flamme, welche ausreichend ist, den oberen Führungsabschnitt 14, besonders die Seitenwände 74 auf eine Strahlungstemperatur vorzuheizen, die geeignet ist, eine Zündung des anfänglichen Stromes des Brennstoff/Luftgemisches, sobald dieses in den oberen Führungsabschnitt eintritt, zu bewirken. Nachdem der Verbrennungsprozeß (Reaktion des Brennstoff/Luftgemisches) selbsttragend geworden ist, kann der Zünder 29 vom Reaktionskreis getrennt werden. Oxidierendes Gas wird über das Rohr 33 zugeführt und im wesentlichen radial in den oberen Führungsabschnitt 14 eingebracht, um die Bestandteile unter einer gewissen Wirbelbildung, wie durch den Pfeil 120 angezeigt, darin intensiv zu vermischen. Die Wirbelbewegung erzeugt gewöhnlich eine angemessene Durchmischung des Brennstoffes und des oxidierenden Gases, um eine selbsterhaltende Entzündung der Mischung aufrechtzuerhalten. Die Verbrennung der brennstoffhaltigen Substanz mit dem oxidierenden Gas beginnt im oberen Führungsabschnitt 14 und bleibt im unteren Führungsabschnitt 16 darunter bestehen. Es wird angenommen, daß aufgrund des Eintrittes in den unteren Führungsabschnitt 16 der Strom der verbrennenden oder verbrannten Bestandteile zwei Wirbel- bzw. Rezirkulationszonen bildet. Eine relativ schwache Zone ist zentral angeordnet (bekannt als erste Rezirkulation), wie durch die Pfeile 122 in Fig. 4 dargestellt, und resultiert aus einer Wirbelströmung im oberen Zuführungsabschnitt 14. Die andere, relativ starke Zone (bekannt als zweite Rezirkulation) ist an der äußeren, ringförmigen Fläche angeordnet, wie durch die Pfeile 124 dargestellt, und ergibt sich als Folge der Trennung, welche an der Stelle der plötzlichen Strömungsausdehnung, an der der innere Durchmesser des unteren Zuführungsabschnittes 16 in ausreichender Weise größer ist als der innere Durchmesser der des oberen Zuführungsabschnittes 14, auftritt. Diese zweiten Rezirkulationszonen, gekennzeichnet durch eine Ringwirbel stabilisierte Strömung, bilden das Wesen der "Fallströmung" im gasdynamischen Sinne und haben die Bedeutung, die dem Ausdruck "Fallströmung" oder "Fallbewegung" hier zugeschrieben wird. Über diese Rezirkulationszonen wurde gefunden, daß sie im wesentlichen ringförmige Form besitzen und unterhalb der abrupten Ausdehnungszone bei einem Punkt, an dem der Flüssigkeits- oder Gasstrom der stromabseitigen Seitenwand wieder anliegt (Wiederanlagepunkt - point of fluidic [or gaseous] reattachment) beginnen, welcher wiederum durch mehrere physikalische Eigenschaften des Reaktionsgemisches festgelegt wird. Die Punkte 126 in Fig. 4 stellen die relativen Wiederanlagepunkte des Gases im unteren Führungsabschnitt 16 dar. Daher ergibt sich eine stabile Brennzone zunächst durch die Fallströmung der Bestandteile in den unteren Führungsabschnitt 16 und zu einem geringeren Ausmaße durch die im oberen Abschnitt 14 erzeugte Wirbelbewegung. Das verbrennende Gemisch aus Brennstoff und oxidierendem Gas bewegt sich dann am Gasinjektionsabschnitt 18 vorbei, an dem es die "Quetsch"- und "Auslöseeffekte" des durch die Röhren 90 und 92, wie oben diskutiert, injizierten Gases erfährt, zum Ausgang des unteren Führungsabschnittes 16; von diesen Effekten nimmt man an, daß sie auch zur Flammenstabilisierung innerhalb des unteren Führungsabschnittes 16 beitragen. Nach einiger Zeit erreicht die Strömung der Bestandteile diesen Ausgang, wobei die Verbrennung der brennstoffhaltigen Substanz im wesentlichen vervollständigt ist.

Der innere Durchmesser der zweiten Stufe 20 des Reaktors 10 ist ausreichend größer als der innere Durchmesser des oberen Führungsabschnittes 16, so daß die Bildung einer zweiten Rezirkulationszone für die reagierenden Bestandteile in der zweiten Stufe 20 möglich ist. Das zu verhüttende Beschickungsmaterial wird durch die Röhren 94 und 96, die im Speiseabschnitt 22 angeordnet sind, in die zweite Stufe 20 eingeführt. Diese Injektion erfolgt in der zweiten Rezirkulationszone, dargestellt durch die Pfeile 128, welche aus dem abrupten Anstieg des Durchflußquerschnittes an der Zwischenschicht zwischen ersten und zweiten Stufen 12 und 20 des Reaktors 10 verursacht wird. Zusätzliche erste durch die Pfeile 130 dargestellte Rezirkulationszonen können in dem zentralen Kern der Strömung aufgrund restlicher Verwirbelung vom oberen Führungsabschnitt vorliegen. Die Punkte 132 zeigen die relativen Wiederanlagepunkte des Gases in der zweiten Stufe. Diese Phänomene bestimmen daher eine dynamisch stabile Reaktionszone, von der angenommen wird, daß sie in der zweiten Stufe existiert. Die vorangegangene Erläuterung der gasdynamischen Verhältnisse basiert teils auf fest eingeführten gasdynamischen Prinzipien und teils auf aktuellen Beobachtungen, unter Miteinbeziehung der Feuerfestmaterial-Verschleißmuster innerhalb des Reaktors 10 sowie der entgegengesetzt zur im Reaktor vorherrschenden Abwärtsströmung erfolgenden Aufwärtsströmung der festen Partikel an den Reaktorwänden. Die reagierenden Materialien bewegen sich dann zum Boden des Reaktorschaftes 98 fort, wo sie am Auslaß 112 ausgetragen werden, um in die in Fig. 1 dargestellten Separationsstufen weitergeführt zu werden.

Beispiele

Das Verfahren sowie die Anlage der vorliegenden Erfindung soll nunmehr anhand folgender in spezieller Weise beschrieben werden. Der Reaktor 10 kann beispielsweise unter Bezugnahme auf Fig. 3 folgende Merkmale und Dimensionen besitzen:

Dimensionen der Versuchsanlage

Weiterhin war die Stufenhöhe (welche der radiale Abstand zwischen innerer Wand des stromaufseitigen, zylindrischen Durchflußkanals und der inneren Wand des angrenzenden stromabseitigen Durchflußkanals ist), im Reaktor 10 zwischen dem oberen Führungsabschnitt 14 und dem unteren Führungsabschnitt 16 ca. 5 cm und zwischen dem unteren Führungsabschnitt 16 und dem Reaktorabschnitt 24 ca. 10 cm.

Beispiel 1

Um das Verfahren der Erfindung umfassender darzustellen, wird im Folgenden eine Versuchsanlage zur Verhüttung einer bleihaltigen Hochofenschlacke vorgestellt, um Blei- und Zinkwerte in einem oxidischen Produkt wiederaufzubereiten und hinsichtlich der Umwelt eine ungiftige, deponiefähige Schlacke herzustellen. Zusammensetzungen des Beschickungsmaterials sind in Tafel I dargestellt.

Feine Kohle wird mit einem Luftstrom in den oberen Führungsabschnitt 14 injiziert, wo diese sich mit einem mit Sauerstoff angereicherten Luftstrom (oder einem Gemisch aus O₂, N₂) vermischt und entzündet. Das heiße, brennstoffreiche Reaktionsgemisch führt die Reaktion im unteren Führungsabschnitt 16 fort und mehr sauerstoffangereicherte Luft wird am Gasinjektionsabschnitt 18 eingeblasen. An der Oberseite der zweiten Stufe 20 werden zwei separate Ströme aus roher, pulverisierter Hochofenschlacke mit einem Stickstoffstrom (oder alternativ dazu mit Luft) am Beschickungsabschnitt 22 über diametral zueinander angeordnete Röhren in das heiße, brennstoffreiche Reaktionsgemisch eingebracht, um dieses durchzumischen, zur Reaktion zu bringen und zu schmelzen. Das Zink und das Blei werden aus der Schlacke bei Temperaturen von 1300°C-2000°C (2375°F-3630°F) zu Metalldämpfen reduziert, und das zurückbleibende Gangmaterial und die Kohlenasche verschmelzen zu einer flüssigen Schlacke. Die Beschickungen der festen und gasförmigen Materialien werden gesteuert, um die gewünschte Gaszusammensetzung zu erlangen, und die Temperatur am Reaktorausgang wird gemessen, nämlich zu CO/CO₂ = 0,6 sowie entsprechend einer Temperatur von 1410°C (2570°F). Die Zusammensetzungen der resultierenden Produkte sind in Tafel II aufgezeigt.

Tafel I

Zusammensetzung der Beschickung

Tafel II
Beschickungsraten
Kohle	15.2 lb/min, 0.46 tph
Bleihaltige Ofenschlacke	43.9 lb/min, 1,3 tph
Gesamter Sauerstoffträger	629 scfm (44.8% O₂)
Kohleninjektion	61 scfm (Luft)
Sauerstoffträger - obere Anlage	339 scfm (73.2% O₂)
Sauerstoffträger - Gasinjekt.-kammer	129 scfm (16.3% O₂)
Schlackeninjektion	100 scfm (100% N₂)
Reaktorbedingungen @	Temperatur	1410°C (2570°F)
CO/CO₂ Verhältnis	0.59
Reaktorabgas-Zusammensetzung (Trockenvolumen-%) @	CO 15.0; CO₂ 25.5; H₂ 4.6; N₂ 54.5; O₂ 0,3 @	Kohlenstoffnutzungsgrad	81%
Produktionsraten @	Rohoxid	8.5 lb/min, 0.26 tph
Schlackenprodukt	39 lb/min, 1.2 tph

Beispiel 2

Eine weitere Illustration des Verfahrens der vorliegenden Erfindung kann in der in einer wie oben beschriebenen Versuchsanlage, erfolgenden Behandlung von Rauchgas gefunden werden, welches bei Stahlerzeugungsverfahren, die in einem elektrischen Lichtbogenofen durchgeführt werden, erzeugt wird. Bei diesem Behandlungsverfahren werden Zink- und Bleiwerte in einem rohen, oxidischen Produkt wiederaufbereitet und eine hinsichtlich der Umwelt ungefährliche Schlacke produziert. Die Zusammensetzungen des Beschickungsmaterials sind hierunter in Tafel III aufgezeigt.

Pulverisierter Koksabtrieb wird mittels Luft in den oberen Führungsabschnitt 14 injiziert, wo dieser sich mit einem Strom aus mit Luft angereichertem Sauerstoff (oder einer Mischung N₂, O₂) vermischt und entzündet. Das heiße, brennstoffreiche Reaktionsgemisch führt die Reaktion im unteren Führungsabschnitt 16 weiter, und mehr sauerstoffangereicherte Luft wird am Gasinjektionsabschnitt 18 injiziert. An der Oberseite der zweiten Stufe 20 werden zwei getrennte Ströme Staub mit Luft (oder N₂) am Beschickungsabschnitt 22 durch diametral gegenüberliegende Röhren in das heiße, brennstoffreiche Reaktionsgemisch eingebracht, um dieses durchzumischen, zu reagieren und zu schmelzen. Das Zink und Blei wird aus dem Staub zu metallischen Dämpfen bei einer Temperatur von 1300°C-2000°C (2375°F-3630°F reduziert, und das zurückbleibende Gangmaterial und die Kohlenasche verschmelzen zu einer flüssigen Schlacke.

Die Beschickung der festen und gasförmigen Materialien wird gesteuert, um die gewünschte Gaszusammensetzung am Reaktorausgang von CO/CO₂=0.27 und eine Temperatur von 1680°C (3060°F) entsprechend zu gewährleisten. Die Beschickungs- und Produktionsraten, die Zusammensetzungen und Rückgewinnungswerte bezogen auf die Produkte sind in Tafel IV dargestellt.

Tafel III
Beschickungszusammensetzung
EAF-Staub
Koksabrieb
Zn 12.2%|Ct 83.2%
Pb 1.64%	VM 3.0%
Cd 0.97%	H₂O 0.4%
Fe 39.0%	Asche 11.8%
Si 1.74%	Btu/lb 11.900
Al 0.40%	S 1.0
Cr 0.76%	Korngröße 70%-200% Maschenweite
Rest Gestein @	Ca 3.64% @	Korngröße 100%-1/8′′

Tafel IV
Beschickungsraten
Koksabrieb	20.5 lb/min, 0.62 tph
EAF Staub	53.3 lb/min, 1.6 tph
Sauerstoffträger, gesamt	776 scfm (54.3%, 0%)
Koksinjektion	55 scfm (Luft)
Sauertoffträger, oberer Führungsabschnitt	287 scfm (67,2% O₂)
Sauerstoffträger, Gasinj.-kammer	370 scfm (54.7% O₂)
Staubinjektion	64 scfm (Luft)
Reaktorbetriebsbedingungen @	Temperatur	1680°C (3060°F)
CO/CO₂-Verhältnis	0.27
Reaktorabgas (Trockenvolumen %) @	CO 11.6; CO₂ 42.5; H₂ 3.5; N₂ 41.7; O₂ 0.3 @	Kohlenstoffnutzungsgrad	97%
Produktionsraten @	Rohoxid	14 lb/min 0.42 tph
Schlacke	43 lb/min 1.7 tph

Beispiel 3

Ein drittes Beispiel der Versuchsanlage ist zur Verhüttung einer Mischung von Materialien aus niederwertigen zinkhaltigen Begleitstoffen und bleihaltiger Hochofenschlacke dargestellt. Die Zink- und Bleiwerte werden in Form eines Rohoxides durch das Verfahren der Erfindung wiederaufbereitet; das Produkt kann dem Zinkproduktionsverfahren besser zugegeben werden als die niederwertigen Nebenstoffe. Die bleihaltige Hochofenschlacke wirkt auf die hochschmelzenden Schlackenbestandteilen in den Nebenstoffen als Flußmittel und eliminiert diese als möglicherweise gefährliche, feste Abfallmasse. Die Beschickungszusammensetzungen sind nachfolgend in Tafel V dargestellt.

Feine Kohle wird mit Luft in den oberen Führungsabschnitt 14 injiziert, wo sich diese mit einem Strom aus mit Sauerstoff angereicherter Luft (oder einem Gemisch aus O₂, N₂) vermischt und entzündet. Das heiße, brennstoffreiche Reaktionsgemisch führt die Reaktion im unteren Versuchsabschnitt 16 weiter und weitere mit Sauerstoff angereicherte Luft wird in den Gasinjektionsabschnitt 18 eingeblasen. An der Oberseite der zweiten Stufe 20 werden getrennte Ströme aus niederwertigen zinkhaltigen Nebenstoffen und einer bleihaltigen Hochofenschlacke (beide pulverisiert) mit Stickstoff (oder mit Luft) am Beschickungsabschnitt 22 durch diametral gegenüberliegende Röhren in das heiße, brennstoffreiche Reaktionsgemisch eingeblasen, um mit diesem zu vermischen, zu reagieren und zu schmelzen. Das Zink und Blei wird aus den Beschickungsmaterialien bei Temperaturen von 1300°-2000°C (2375°-3630°F) zu metallischen Dämpfen reduziert, und das übrigbleibende Gangmaterial und die Kohleasche verschmelzen zu einer flüssigen Schlacke. Die Beschickungen der festen und gasförmigen Materialien werden gesteuert, um die gewünschte Gaszusammensetzung zu erreichen, und die Temperatur wird am Reaktorausgang gemessen, entsprechend zu CO/CO₂=0.19 und einer Temperatur von 1620°C (2950°F). Die Beschickungs- und Produktionsraten, die Zusammensetzungen und Rückgewinnungswerte bezogen auf die Produkte sind in Tafel VI dargestellt.

Tafel V

Beschickungszusammensetzungen (Gew.-%)

Tafel VI
Beschickungsraten
Kohle	14 lb/min 0.42 tph
Niederwertige, zinkhaltige Nebenstoffe	25.2 lb/min 0.76 tph
Bleihaltige Hochofenschlacke	25.4 lb/min 0.76 tph
Oxidträger gesamt	589 scfm (82.7% O₂)
Kohleinjektion	60 scfm (Luft)
Oxidträger/obere Führungsstufe	346 scfm (82.7% O₂)
Oxidträger Gasinj.-Kammer	84 scfm (50% O₂)
Nebenstoff/Schlackeninjektion	99 scfm (100% N₂)
Reaktorbedingungen @	Temperatur	1620°C (2950°F)
CO/CO₂-Verhältnis	0.19
Reaktorabgaszusammensetzung (Trockenvolumen-%) @	CO 8.2; CO₂ 43.8; H₂ 3.8; N₂ 43.8; O₂ 0.3 @	Kohlenstoffnutzungsgrad	90%
Produktionsraten @	Rohoxid	19 lb/min 0.57 tph
Schlackenprodukt	35 lb/min 1.05 tph

Beispiel 4

Ein viertes Beispiel der Versuchsanlage ist zur Verhüttung eines kobalt-, nickel- und kupferreichen Waschrückstandes einer mit Elektrolyse arbeitenden Zinkanlage dargestellt. Das Verfahren der Erfindung bereitet eine verkaufbare Co-Ni-Cu-Legierung durch Eliminierung des Zinks, Bleis und Kadmiums wieder auf, welche wiederum nacheinander als Rohoxid wiederaufbereitet werden. Die Beschickungszusammensetzungen sind in Tafel VII dargestellt.

Feine Kohle wird mit Luft in den oberen Führungsabschnitt 14 injiziert, wo dieses sich mit einem Strom aus mit Sauerstoff angereicherter Luft (oder einem Gemisch aus O₂, N₂) vermischt und entzündet. Die heiße, brennstoffreiche Mischung hält die Reaktion im unteren Versuchsabschnitt 16 aufrecht, und weitere mit Sauerstoff angereicherte Luft wird am Gasinjektionsabschnitt 16 eingeblasen. An der Oberseite der zweiten Stufe 20 werden zwei getrennte Ströme von pulverisierten Co-Ni-Cu-Rückständen mit Stickstoff (oder mit Luft) am Beschickungsabschnitt 22 über diametral gegenüberliegende Röhren in das heiße, brennstoffreiche Reaktionsgemisch eingeblasen, um dieses durchzumischen, zu reagieren und zu schmelzen. Das Zink, Blei und Kadmium werden von den Rückständen bei Temperaturen von 1300°-2000°C (2375°-3630°F) zu metallischen Dämpfen reduziert, und die zurückbleibende Co-Ni-Cu-Legierung verschmilzt mit einem geringen Anteil an Kohlenasche, in einen Schmelzprodukt-Legierungsstrom. Die Beschickungen des festen und gasförmigen Materials werden gesteuert, um die gewünschte Gaszusammensetzung und Temperatur am Ausgang des Reaktors, nämlich CO/CO₂=0.26 sowie entsprechend Temperatur=1690°C (3075°F) zu erreichen. Beschickungs- und Produktionsraten, sowie Zusammensetzung und die Rückgewinnungen im Vergleich zu den Produkten sind in Tafel VIII dargestellt.

Tafel VII

Beschickungszusammensetzung (Gew.-%)

Tafel VIII
Beschickungsraten
Kohle	18.5 lb/min 0.56 tph
Rückstände	40 lb/min 1.20 tph
Sauerstoffträger - gesamt	672 scfm (57.7% O₂)
Kohleinjektion	64 scfm (Luft)
Sauerstoffträger/obere Stufe	413 scfm (73% O₂)
Sauerstoffträger/Gasinj.-kammer	64 scfm (68% O₂)
Injektion der Rückstände	122 scfm (100% N₂)
Reaktorbedingungen @	Temperatur	1690°C (3075°F)
CO/CO₂ Verhältnis	0.26
Reaktorabgaszusammensetzung (Trockenvolumen-%) @	CO 10.2; CO₂ 47.5; H₂ 2.8; N₂ 59.4; O₂ 0.3 @	Produktionsraten @	Co-Ni-Cu-Legierung	13.6 lb/min 0.41 tph
Rohoxid	21.5 lb/min 0.65 tph

Dimensionierung

Die Dimensionierung der Reaktorabschnitte wird in erster Linie durch die Verweilzeit, welche für die Beschickungspartikel in jedem Abschnitt zur Erreichung des erwünschten Grades der Vollständigkeit der chemischen Reaktionen und der Verschmelzung des Gangmaterials gefordert wird, bestimmt. Ein zweiter jedoch bedeutender Faktor ist das Phänomen der Rezirkulation, welches gemäß den bekannten gasdynamischen Prinzipien auftritt, wenn die heißen Gase sich von dem einen Abschnitt zum nächsten angrenzenden Abschnitt den Reaktor herab ausdehnen. Die Rezirkulation bewirkt die Effizienz des Reaktors, nämlich die Reaktionen in der gewünschten Zeit im wesentlichen zu vervollständigen; von daher gelten für die Dimensionierung (scale up) drei allgemeine Kriterien:

• (a) Gewährleistung einer ausreichenden Verweilzeit im Reaktor, damit die Beschickungspartikel den gewünschten Vervollständigungsgrad der chemischen Reaktionen und Erschmelzung des Gangmaterials erreichen, durch Anpassung des Durchmessers zur Querschnittsfläche sowie möglicherweise der Länge proportional zum Durchsatzanstieg;
• (b) Gewährleistung einer ausreichenden Rezirkulation im Reaktor (beispielsweise durch Aufrechterhaltung desselben Verhältnisses von Stufenhöhe zu Durchmesser des stromaufseitigen Abschnittes); und
• (c) Gewährleistung einer minimalen Länge von mindestens fünf mal der Stufenhöhe zwischen den Abschnitten, um die gasförmige Wiederanlage der Rezirkulationszonen - wie durch die gasdynamische Theorie geschätzt - sicherzustellen.

Die Verweilzeit ist durch Messung der Reaktorgastemperatur, Errechnung der Gasvolumina unter Zugrundelegung einer Reaktorgasanalyse und durch anschließende Errechnung der Reaktorgeschwindigkeit bestimmt worden. Es kann auch angenommen werden, daß das thermochemische Gleichgewicht zur Abschätzung der Vollständigkeit der Reaktionen, der Reaktorgasvolumina sowie der Temperaturen herangezogen werden kann. Die Länge des Reaktors kann dann durch Berechnung der Reaktorgeschwindigkeit und Abschätzung der Verweilzeit, welche notwendig ist, um die Reaktionen bis zu einem gewünschten Grad zu vervollständigen, berechnet werden.

Als Beispiel für eine Auslegung kann ein Reaktor im Vorversuchsversuchsmaßstab (subpilot to pilot scale) stehen, der durch Vergrößern des Durchmessers um 50% den Durchsatz annähernd um drei bis vier mal erhöht:

Claims (14)

1. Verfahren zur pyrometallurgischen Verhüttung feinverteilter Erze, Konzentrate, Rückstände, Schlacken und ähnlicher Materialien, bei dem ein aus einer brennstoffhaltigen Substanz und einem oxidierenden Gas bestehendes Reaktionsgemisch gebildet wird, das in eine vertikal verlaufende Kammer (20) eingeleitet wird, um dort mit feinverteilten, zu verhüttenden Materialien zu reagieren, dadurch gekennzeichnet, daß die brennstoffhaltige Substanz und das oxidierende Gas in einer ersten Kammer (12) intensiv vermischt und zur Reaktion gebracht werden, um dort heiße, brennstoffreiche Reaktionsgase zu erzeugen, daß die heißen, brennstoffreichen Reaktionsgase in einer zweiten Kammer (20) in eine Ringwirbel-Fallströmung versetzt werden, und daß die feinverteilten, zu verhüttenden Materialien in die zweite Kammer (20) in deren Ringwirbel-Fallabschnitt eingeleitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringwirbel-Fallströmung der heißen, brennstoffreichen Reaktionsgase, die in die zweite Kammer (20) gelangen, durch die Schaffung einer Zone mit einer plötzlichen Ausdehnung des Strömungsdurchflußkanals zwischen der ersten und zweiten Kammer (12, 20) hergestellt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die heißen, brennstoffreichen Reaktionsgase innerhalb der ersten Kammer (12) unter Bildung einer Ringwirbelströmung geleitet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringwirbelströmung innerhalb der ersten Kammer (12) durch Schaffung einer Zone einer plötzlichen Ausdehnung des Strömungsdurchflußkanals der ersten Kammer (12) erzeugt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß oxidierendes Gas in die erste Kammer (12) stromabwärts der darin befindlichen Ringwirbelströmung eingeführt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgemisch innerhalb der ersten Kammer (12) durch nach unten erfolgendes Einführen der brennstoffhaltigen Substanz und durch im wesentlichen radial erfolgendes Einbringen des oxidierenden Gases zur Erzeugung einer turbulenten Mischbewegung der Mischung gebildet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgemisch innerhalb der ersten Kammer (12) durch im wesentlichen radial erfolgendes Einleiten der brennstoffhaltigen Substanz und durch nach unten erfolgendes Einleiten des oxidierenden Gases zur Erzeugung einer turbulenten Mischbewegung der Mischung gebildet wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die brennstoffhaltige Substanz nach deren Einführung in die erste Kammer (12) entzündet wird.

9. Reaktoranlage zur pyrometallurgischen Verhüttung von feinverteilten Materialien mit einer vertikal verlaufenden zylindrischen Struktur, die eine Zufuhreinrichtung für eine brennstoffhaltige Substanz und ein oxidierendes Gas sowie für die zu verhüttenden, feinverteilten Materialien aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikal verlaufende, zylindrische Struktur aus zwei hintereinander angeordneten Kammern (12, 20) besteht, daß die Zufuhreinrichtung (46; 30, 33, 90, 92) für die brennstoffhaltige Substanz und das oxidierende Gas in die erste Kammer (12) mündet, in welcher ein Vermischungsabschnitt zur turbulenten Vermischung der Substanz und des Gases vorgesehen ist und ein heißes Reaktionsgemisch erzeugt wird, daß zumindest die zweite Kammer (20) einen Bereich zur Ausbildung einer Ringwirbel-Fallströmung aufweist, und daß die Zufuhreinrichtung (94, 96) zur Einleitung der feinverteilten Materialien in den Ringwirbel- Fallabschnitt der zweiten Kammer (20) mündet.

10. Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhreinrichtung für die brennstoffhaltige Substanz aus einem an der Oberseite der ersten Kammer (12) angeordneten Einlaß und die Zufuhreinrichtung für das oxidierende Gas aus einem seitlich in die erste Kammer (12) einmündenden Einlaß (30, 33) besteht.

11. Anlage nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kammer (12) einen Abschnitt zur Ausbildung einer Ringwirbel-Fallströmung aufweist, der aus einer hohlzylinderförmigen Struktur mit einem Durchmesser besteht, welcher größer ist als der Durchmesser des turbulenten Vermischungsabschnitts, um im Ringwirbel-Fallabschnitt der ersten Kammer (12) mindestens eine Rezirkulationszone (122, 124) für die Reaktionsbestandteile auszubilden.

12. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß angrenzend an den Auslaß des Ringwirbel-Fallabschnitts der ersten Kammer (12) eine Einrichtung (90, 92) zur Injizierung von Gas in die erste Kammer (12) vorgesehen ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kammer (20) einen Durchmesser aufweist, welcher größer ist als der Durchmesser der ersten Kammer (12), um im Ringwirbel-Fallabschnitt der zweiten Kammer (20) mindestens eine Rezirkulationszone (128, 130) für die heißen Reaktionsbestandteile auszubilden.

14. Anlage nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhreinrichtung für das zu verhüttende Material mindestens einen im oberen Bereich der zweiten Kammer (20) angeordneten, das Material radial nach innen in die zweite Kammer (20) injizierenden Einlaß (94, 96) aufweist.