DE4115348A1

DE4115348A1 - Verfahren und vorrichtung zur hochtemperaturbehandlung von feinkoernigen feststoffen in einem schmelzzyklon

Info

Publication number: DE4115348A1
Application number: DE4115348A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr Melcher; Kiranenda Dr Chaudhuri
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Deutz AG
Priority date: 1991-05-10
Filing date: 1991-05-10
Publication date: 1992-11-12
Anticipated expiration: 2011-05-11
Also published as: ZA923380B; DE4115348C2; US5282883A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Hochtemperatur behandlung von feinkörnigen, bei Behandlungstemperaturen schmelzflüssige Produkte ergebenden Feststoffen, insbe sondere Nichteisenmetallerzkonzentraten, die mit Sauer stoff enthaltendem Gas über wenigstens eine Düse in einen Schmelzzyklon eingeblasen werden, wobei die feinkornigen Feststoffpartikel im Wirbelstrom des Schmelzzyklons unter Verbrennung eines über wenigstens einen Brenner einge brachten Brennstoffs bei hoher Temperatur geschmolzen werden und unterhalb des Schmelzzyklons die Schmelze vom Abgas getrennt wird. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung durch Durchführung des Verfahrens.

Zur pyrometallurgischen Behandlung von feinkörnigen sul fidischen Erzkonzentraten in einem Schmelzzyklon ist es bekannt (DE-AS 20 10 872 und DE-OS 33 35 859), die feinkörnigen Feststoffe in Rohrleitungen pneumatisch zum Schmelzzyklon zu fördern und die Feststoff-Förderluft- Suspension durch im Schmelzzyklonimmantel tangential ange ordnete Düsen mit hoher Geschwindigkeit in den Schmelzzy klon einzublasen, wo das Erzkonzentrat bei hoher Tempera tur im Wirbelstrom kontinuierlich geröstet und geschmol zen wird. Im Schmelzzyklon sind infolge des intensiven Stoffaustausches zwischen Gas und Feststoff hohe Ver flüchtigungsraten verflüchtigbarer Feststoffkomponenten und hohe Schmelzraten nicht verflüchtigbarer Bestandteile erzielbar. Daher hat das bekannte Suspensionsschmelzen im Schmelzzyklon für die pyrometallurgische Direktgewinnung z. B. von Kupfer aus sulfidischen Kupfererzkonzentraten, auch aus komplexen Konzentraten, mit Erhalt eines ver gleichsweise reinen Rohkupfers und einer kupferarmen Schlacke besondere Bedeutung erlangt.

Wird die Feststoff-Fördergas-Suspension mit hoher Ge schwindigkeit (größer 35 m/sec.) in den Schmelzzyklon eingeblasen, ist die Gefahr nicht ausgeschlossen, daß die Einblasdüsen für die feinkörnigen Feststoffe vorzeitig verschleißen und daß die mit entsprechendem Impuls in den Schmelzzyklon pneumtalisch eingeschleuderten Feststoffpar tikel, insbesondere wenn diese nicht bzw. nicht sofort zur Schmelzung gelangen, an der Aufprallstelle der feuer fest ausgekleideten Zykloninnenwandung einen deutlichen Verschleiß verursachen, wodurch die betriebliche Verfüg barkeit des Schmelzzyklons beeinträchtigt werden kann. Außerdem kann bei einem Schmelzzyklon, in den das fein körnige Feststoffmaterial mit hoher Geschwindigkeit ein geschleudert wird, die zum Ausreagieren und Schmelzen der einzelnen Feststoffpartikel benötigte Reaktionszeit, für welche praktisch nur die Flugstrecke der Partikel von der Einblasdüse zur gegenüberliegenden Zykloninnenwandung zur Verfügung steht, zu kurz werden, was sich dadurch bemerk bar machen kann, daß die exotherme Röstreaktion zum Er liegen kommt.

Diese mögliche Gefahr bleibt auch dann erhalten, wenn, wie aus der DE-PS 29 2 189 ersichtlich, die feinkörnigen Feststoffe praktisch ohne Fördergas und ohne Vertikal impuls von oben allein durch Schwerkraftwirkung in den Schmelzzyklon eingeführt werden würden, wo sie vom Wir belstrom des mit hoher Geschwindigkeit tangential ein geblasenen sauerstoffhaltigen Gases aber nicht vollstän dig erfaßt und zum Teil unreagiert an die Zykloninnen wandung geschleudert werden können.

Bei den bekannten Verfahren zur pyrometallurgischen Be handlung von feinkörnigen sulfidischen Erzkonzentraten, z. B. sulfidischen Kupfererzkonzentraten im Schmelzzyklon liefert die Verbrennung des Sulfidschwefels und gegebe nenfalls anderer im Einsatzmatrial enthaltener oxidierba rer Bestandteile in der Sauerstoffatmosphäre meist genü gend Wärme, um den Röst- und Schmelzvorgang autogen ab laufen zu lassen, d. h. bei den bekannten Schmelzzyklonen sind eigene Brenner zur Eindüsung von Brennstoffen nicht erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der pyrome tallurgischen Behandlung feinkörniger Erzkonzentrate, insbesondere auch oxidischer Erzkonzentrate, deren Schmelzprozeß in einem Schmelzzyklon nicht autogen ab läuft, sondern den Einsatz von eigenen Brennern mit Brennstoffeindüsung erfordert, dafür zu sorgen, daß bei hohen Schmelzraten und möglichst geringen Schmelzzyklon verschleißerscheinungen und Abgasstaubverlusten sowie bei möglichst niedrigem spezifischem Energiebedarf die ein zelnen Partikel des Feststoffmateriales möglichst voll ständig ausreagieren können.

Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig mit den Maßnahmen des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1 und vorrichtungsmäßig mit den Maßnahmen des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 6 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur pyrometallurgischen Behandlung feinkörniger Erzkonzentrate in einem Schmelz zyklon kommt vor allem dann zum Einsatz, wenn der Schmelzvorgang im Schmelzzyklon nicht autogen abläuft, d. h. wenn der in einem sulfidischen Erzkonzentrat ent haltene Sulfidschwefelgehalt nicht ausreichend ist oder wenn das eingesetzte Erzkonzentrat oxidisch ist (z. B. Manganerzkonzentrate, Platinerzkonzentrate etc.), wobei die oxidischen Erzkonzentrate im Schmelzzyklon einge schmolzen und wenigstens vorreduziert werden sollen. In diesen Fällen wird in den Schmelzzyklon über wenigstens einen Brenner Brennstoff in Form eines Brenner-Freistrah les eingedüst, wobei die durch die Verbrennung des Brenn stoffs entstehende Wärme die zur Durchführung der Schmelzarbeit und Reaktionsarbeit für das Erzkonzentrat notwendige Wärme liefert. Erfindungsgemäß werden die Feststoffpartikel des Erzkonzentrats direkt in den Bren ner-Freistrahl in dessen heißesten Bereich eingeblasen, und zwar mit einer so hohen Partikelstrahlgeschwindig keit, daß die Feststoffpartikel in den Brennerstrahl ein dringen. Es haben sich optimale Ergebnisse hinsichtlich einer langen Verweilzeit und eines möglichst vollständi gen Ausreagierens des pyrometallurgisch zu behandelnden Feststoffmateriales im Schmelzzyklon sowie hinsichtlich möglichst geringer Abgasstaubverluste kleiner 3% heraus gestellt, wenn der z. B. aus Erzkonzentrat und Zuschlag stoffen bestehende Feststoff-Partikelstrahl mit einer Strahlgeschwindigkeit größer 3,5 m/sec. Bis ca. 8 m/sec. von oben in den seitlich in den Schmelzzyklon eingeführ ten Brennerstrahl direkt eingeblasen wird, wobei die Aus trittsgeschwindigkeit des Brennerstrahles an der Ausmün dung des Brenners, z. B. Kohlenstaubbrenners, größer etwa 100 m/sec. betragen kann. Würde der Feststoff-Partikel strahl ohne jegliches Fördergas allein durch Schwerkraft wirkung von oben auf den Brennerstrahl aufgebracht wer den, so würde er mangels jeglichen Vertikalimpulses nicht in den Brennerstrahl eindringen können, sondern die Fest stoffpartikel würden auf dem Brennerstrahl bzw. auf der Brennerflamme tanzen mit der Folge eines ungenügenden Aufschmelzens und Ausreagierens der Feststoffpartikel. Nachteilig wäre auch, wenn die Feststoffpartikel mit einer zu hohen Geschwindigkeit bzw. mit einem zu hohen Vertikalimpuls quer durch den Brennerstrahl bzw. durch die Brennerflamme hindurchgeblasen werden wurden.

Der Feststoff-Partikelstrahl soll in den heißesten Be reich des Brennerstrahls bzw. der Brennerflamme in diese eindringen. Es hat sich herausgestellt, daß diese Auf treffstelle bzw. Eindringstelle in der Regel da liegt, wo der Brennerstrahl bereits wenigstens ein Drittel seines gesamten Sekantenweges bzw. Tangentenweges im vertikalen Schmelzzyklon zurückgelegt hat. An dieser Stelle ist der Brenner-Freistrahl in der Regel noch geschlossen und sein Impuls ist noch nennenswert hoch. Durch das direkte Ein düsen der Feststoffpartikel in den heißesten Bereich des Brennerstrahl bzw. der Brennerflamme ist die Wahrschein lichkeit, daß im Schmelzzyklon alle Feststoffpartikel schmelzen und ausreagieren, erhöht, d. h. anders ausge drückt die Gefahr, daß ungeschmolzene Feststoffpartikel an die Zykloninnenwandung prallen oder gar als Staub mit dem Abgas mitgenommen werden, ist verringert. Durch das vollständigere Ausreagieren der Feststoffpartikel Schmelzen, Rösten bzw. Reduzieren) liegt der Sauer stoffausnutzungsgrad höher, d. h. im Abgas des Schmelzzy klons bleibt nur wenig freier Sauerstoff, z. B. 0,1 bis 3 Vol.-% O₂ im Abgas im Vergleich zu bis 6% O₂, wenn das Feststoffmaterial wie eingangs beschrieben mit hoher Ge schwindigkeit seitlich in den Schmelzzyklon eingeblasen werden würde. Schließlich sind mit der beim erfindungsge mäßen Verfahren vergleichsweise niedrig liegenden Ein blasgeschwindigkeit der Feststoffpartikel die Vorteile eines vergleichsweise geringen Düsenverschleißes sowie einer hohen Standzeit des Schmelzzyklons verbunden.

Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, statt den Feststoff-Partikelstrahl von oben quer in den von der Seite eingeführten Brennerstrahl einzudüsen, umgekehrt den Brennerstrahl von oben in den Schmelzzyklon einzufüh ren und in den heißesten Bereich des vertikalen Brenner strahls von der Seite her den Feststoff-Partikelstrahl einzublasen.

Die Erfindung und deren weitere Merkmale und Vorteile werden anhand der in den Figuren schematisch dargestell ten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 schematisch im Längsschnitt einen Schmelzzyklon zur pyrometallurgischen Be handlung von feinkörnigem Erzkonzentrat,

Fig. 2 die Draufsicht auf einen Schmelzzyklon,

Fig. 3 einen horizontalen Querschnitt durch den Schmelzzyklon der Fig. 2 in einer ersten Ebene, und

Fig. 4 einen horizontalen Querschnitt durch den Schmelzzyklon in einer zweiten Ebene.

Nach Fig. 1 wird feinkörniges Erzkonzentrat (10) zusammen mit Zuschlagstoffen wie Schlackenbildner und gegebenen falls zusammen mit Zusatzbrennstoff wie Kohlenstaub aus einem Vorratsbunker (11) über eine Dosiervorrichtung (12) kontinuierlich in die Druckleitung (13) eines Verdichters (14) zum pneumatischen Transport der Feststoff-Fördergas- Suspension eingespeist. Als Fördergas zum pneumatischen Transport der feinkörnigen Feststoffe kann Luft oder ein mit Sauerstoff angereichertes Gas verwendet werden. Die Feststoff-Trägergas-Suspension (15) wird über eine Düse (16) mit einer Austrittsgeschwindigkeit von etwa 3,5 m/sec. bis ca. 8 m/sec. von oben in den Schmelzzyklon (17) durch dessen Oberwandung (18) eingeblasen. Seitlich in den Schmelzzyklon (17) mit vertikaler Achse ist ein Brenner (19) eingeführt, der mit Brennstoff (20), z. B. Kohlenstaub, Primärluft und gegebenenfalls auch Sekun därluft bzw. auch mit 02 angereichertem Gas versorgt wird. Die Austrittsgeschwindigkeit des Brennerstrahls (21) an der Brennermündung beträgt z. B. 150 m/sec.

Der Feststoff-Partikelstrahl (22) wird von oben direkt quer in die heißeste Zone des Brennerstrahls bzw. der Brennerflamme (21) mit der obengenannten Strahlgeschwin digkeit eingeblasen, so daß die Feststoffpartikel in den Brennerstrahl (21) eindringen. Der Feststoff-Partikel strahl (22) trifft dabei den Brennerstrahl bzw. die Bren nerflamme (21) an einer Stelle, an welcher der Brenner strahl bereits wenigstens ein Drittel seines gesamten Sekantenweges bzw. Tangentenweges im Schmelzzyklon zu rückgelegt hat, wie auch aus den unten erläuterten Figu ren 2 bis 4 ersichtlich ist. Jedenfalls werden die von oben in den Schmelzzyklon (17) eingebrachten Feststoff partikel (22) bei momentaner Erhitzung auf hohe Tempe raturen von z. B. 1600°C in Bruchteilen von Sekunden, noch während sie sich im Flug- bzw. Wirbelzustand (23) befinden, vollständig geschmolzen und je nach der über den Sauerstoffpartialdruck im Schmelzzyklon zu steuernden Atmosphäre vollständig einer chemischen Reaktion unterzo gen. An der Unterseite des Schmelzzyklons (17) wird das staubarme Abgas (24) getrennt von der Schmelze (25) abge zogen, die als Schmelzefilm an der Schmelzzykloninnenwan dung spiralförmig nach unten wandert.

Aus der Draufsicht der Fig. 2 geht hervor, daß die Ober wandung (18) des Schmelzzyklons (17) z. B. vier über den Umfang verteilte Öffnungen bzw. Düsen (16a bis 16d) zum Einblasen des feinkörnigen Feststoffmaterials und die Seitenwandung des Schmelzzyklons dann ebenfalls vier über den Umfang verteilte Brenner (19a bis 19d) aufweisen kann, derart, daß sich die Feststoff-Partikelstrahlen und die Brennerstrahlen wie in Fig. 1 gezeigt jeweils tref fen. Dabei können die Feststoffeinblasdüsen (16a und 16c) sowie die Brenner (19a und 19c) in einer ersten Quer schnittsebene (Fig. 3) und die Feststoffeinblasdüsen (16b, 16d) sowie Brenner (19b, 19d) in einer zweiten Querschnittsebene (Fig. 4) des Schmelzzyklons (17) ange ordnet sein. Aus den Fig. 2 bis 4 geht auch hervor, daß die aus den Brennern (19) austretenden Brennerstrah len bzw. Brennerflammen zum Umfang des Schmelzzyklons etwa eine Sekante bzw. Tangente bilden. Es bestünde auch die Möglichkeit, mehrere übereinander angeordnete Brenner bzw. Brennerstrahlen auf ein und denselben vertikalen Feststoff-Partikelstrahl zu richten.

Zahlenbeispiel:

Konzentratmischung (10):

23-24 Gew.-% Cu
21-22 Gew.-% Fe
26-28 Gew.-% S
14-19 Gew.-% (SiO₂ + Al₂O₃ + CaO)
2- 3 Gew.-% Zn
0,5-1 Gew.-% Pb
0,5-1 Gew.-% As

Erzielte Schmelzergebnisse einer Versuchsanlage, Angaben bezogen auf 1000 kg Konzentratmischung:

Sauerstoff durch den Brenner (19) (95% O₂ Reinheit):
307-334 Nm³/t Konzentratmischung
Feststoffträgermedium bzw. Reaktionsluft:	206-300 Nm³/t Konzentratmischung
Brennstoff durch den Brenner (19) (CH₄):	92 Nm³/t Konzentratmischung
Wärmeverluste des Schmelzzyklons (17):	15-25% des Wärmeeintrages
Staubanfall im Abgas (24):	21-27 kg/t ( 2,1-2,7%)
Sauerstoffgehalt im Abgas (24):	0,13-2,8 Vol.-%
Cu-Gehalt der abgesetzten Kupfersteinphase:	59-65 Gew.-%
Cu-Gehalt der abgesetzten Schlackenphase:	0,7-1,0 Gew.-%

Im unterhalb des Schmelzzyklons (17) angeordneten Absetz herd wurde die Kupfersteinphase von der Schlackenphase ohne weitere Nachbehandlung abgetrennt. Überraschend ist der vergleichsweise niedrige Cu-Gehalt der abgesetzten Schlackenphase trotz des Vorhandenseins des vergleichs weise hohen Cu-Gehalts der abgesetzten Kupfersteinphase Der Magnetitgehalt der Schlackenphase lag bei 5 bis 7 Gew.-%.

Claims

1. Verfahren zur Hochtemperaturbehandlung von feinkör nigen, bei Behandlungstemperaturen schmelzflüssige Produkte ergebenden Feststoffen, insbesondere Nicht eisenmetallerzkonzentraten, die mit Sauerstoff ent haltendem Gas über wenigstens eine Düse (16) in einen Schmelzzyklon (17) eingeblasen werden, wobei die feinkörnigen Feststoffpartikel im Wirbelstrom des Schmelzzyklons unter Verbrennung eines über wenigstens einen Brenner eingebrachten Brennstoffs bei hoher Temperatur geschmolzen werden und unter halb des Schmelzzyklons die Schmelze vom Abgas ge trennt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Fest stoffpartikel (22) direkt in den Brennerstrahl (21) in dessen heißesten Bereich eingeblasen werden mit einer so hohen Partikelstrahlgeschwindigkeit, daß die Feststoffpartikel in den Brennerstrahl eindrin gen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoff-Partikelstrahl (22) mit einer Strahlgeschwindigkeit größer 3,5 m/sec. bis ca. 8 m/sec. von oben in den seitlich in den Schmelzzyklon (17) eingeführten Brennerstrahl (21) direkt einge blasen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoff-Partikelstrahl mit einer Strahlge schwindigkeit größer 35 m/sec. seitlich in den von oben in den Schmelzzyklon eingeführten Brennerstrahl direkt eingeblasen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Brennerstrahl (21) in den vertika len Schmelzzyklon (17) mit einer Austrittsgeschwin digkeit größer 100 m/sec. derart seitlich eingedüst wird, daß der Brennerstrahl (21) zum Zyklonumfang eine Sekante bzw. Tangente bildet.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß im vertikalen Schmelzzyklon (17) der Feststoff-Partikelstrahl (22) den Brennerstrahl (21) an einer Stelle trifft, an welcher der Brennerstrahl bereits wenigstens ein Drittel seines gesamten Se kantenweges zurückgelegt hat.

6. Vorrichtung zur Hochtemperaturbehandlung von fein körnigen, bei Behandlungstemperaturen schmelzflüs sige Produkte ergebenden Feststoffen, insbesondere Nichteisenmetallerzkonzentraten, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden An sprüche, gekennzeichnet durch einen vertikalen Schmelzzyklon (17), dessen Oberwandung (18) eine oder mehrere über den Umfang verteilte Öffnungen (16) zum Einblasen der feinkörnigen Feststoffparti kel und dessen Seitenwand eine oder mehrere über den Umfang verteilte Brennerdüsen (19) zur Einführung eines Brennerstrahls (21) aufweist derart, daß sich der/die Partikelstrahl/en und der/die Brenner strahl/en jeweils treffen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerdüsen (19a bis 19d) auf mehrere unterschiedlich hoch gelegene Horizontalebenen des vertikalen Schmelzzyklons (17) verteilt sind.