DE60131565T2

DE60131565T2 - Plasmareduktionsverarbeitung von materialien

Info

Publication number: DE60131565T2
Application number: DE60131565T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey Gwynneville TANNER-JONES
Original assignee: PLASMA TECHNOLOGIES Pty Ltd
Current assignee: PLASMA TECHNOLOGIES Pty Ltd
Priority date: 2000-12-04
Filing date: 2001-12-04
Publication date: 2008-10-23
Anticipated expiration: 2021-12-05
Also published as: WO2002046482A1; US7229485B2; AU2035802A; US20040060387A1; DE60131565D1; ZA200305088B; AUPR186200A0; EP1348038A1; EP1348038B1; EP1348038A4

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft die chemische Bearbeitung von Materialien in einer Plasmaumgebung und insbesondere betrifft sie pyrometallurgische Reduktionsprozesse in einer Plasmaumgebung.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die pyrometallurgische Reduktion von metallhaltigen Erzen und Konzentraten beinhaltet normalerweise das Erhitzen von dem Erz oder dem Konzentrat mit einem Reduktionsmittel in einem Schmelzofen auf eine Temperatur, bei der üblicherweise das Erz schmilzt und bei der eine chemische Reaktion von dem Erz/Konzentrat mit dem Reduktionsmittel das Erz/Konzentrat zu einem metallischen Produkt oder zu einem höherwertigen Endprodukt mit einem niedrigeren Oxidationszustand reduziert. Es werden große Mengen an Energie benötigt, um die Reduktionsprozesse in derartigen Schmelzöfen zu starten und aufrecht zu halten und die Rückgewinnungsrate von metallischen Produkten macht derartige Prozesse kommerziell oftmals nicht lebensfähig. Die nicht reduzierten Komponenten von dem Erz/Konzentrat bilden eine Schlacke, die häufig einen wertvollen Metallgehalt enthält. Die Rückgewinnung von dem Metallgehalt derartiger Schlacken ist jedoch wieder oftmals durch konventionelle Verfahren kommerziell undurchführbar.
Mikrowellenbestrahlung ist in verschiedenen industriellen Anwendungen als Einsatz an Energie zum Erhitzen von Metall verwendet worden, einschließlich der Mikrowellenerhitzung von chemischen Ausgangsstoffen zur kinetischen und thermodynamischen Stimulation derselben für die Aktivierung von chemischen Reaktionen. Die Behandlung von metallhaltigen Erzen und anderen vergleichbaren Materialien mit Mikrowellen ist als eine intensive Vorstufen-Bearbeitung angewendet worden, wobei Energie auf das Erz angewendet wird, um es thermodynamisch zu stimulieren und es für konventionelle Rückgewinnungstechniken wie beispielsweise die konventionelle pyrometallurgische Reduktion, das Auslaugen oder die hydrometallurgischen Rückgewinnungsprozesse vorzubereiten.
Die Veröffentlichung "Non-Equilibrium Plasma Processing of Ores" von D. E. Bullard, D. C. Lynch und W. G. Davenport, veröffentlicht in Thermal Plasma Applications in Materials and Metallurgical Processing, the Minerals, Metals and Materials Society, 1992, legt die Verwendung von einem durch Mikrowellen induzierten Plasma in der Reduktionsbearbeitung von metallhaltigen Erzen offen. Der beschriebene Prozess benötigt jedoch ein extern angelegtes Gleichstromfeld, damit die Reduktion stattfinden kann. Ferner wird der beschriebene Prozess bei sehr niedrigen Drucken zwischen 0,4 und 36 Torr durchgeführt.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes pyrometallurgisches Reduktionsverfahren bereitzustellen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
In einer umfassenden Form stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren für die Reduktion von einem metallhaltigen Erz oder Konzentrat bereit, das folgende Schritte umfasst:
Aufbereiten des Erzes oder des Konzentrates in einer partikelförmigen Form,
Beschicken von einer Reaktionskammer mit dem Erz oder dem Konzentrat, einem Reduktionsmittel und einem Ein gangsgas,
Bestrahlen der genannten Reaktionskammer mit elektromagnetischer Strahlung innerhalb eines Frequenzbereichs von 30 MHz bis 300 GHz, bis ein Plasma im Nichtgleichgewichtszustand angeregt wird, und
Halten und Regulieren des genannten Plasmas im Nichtgleichgewichtszustand mit der genannten Strahlung, bis das genannte Erz oder Konzentrat reduziert ist, um ein Reduktionsprodukt zu erzeugen.
Der Druck innerhalb der genannten Reaktionskammer wird während der Bestrahlung davon oberhalb von 40 kPa und unterhalb von 300 kPa gehalten.
Das Reduktionsmittel enthält ein kohlenstoffhaltiges Material.
In einigen Ausführungsformen wird der Druck etwa auf Atmosphärendruck gehalten.
Das Plasma kann in dem Eingangsgas angeregt werden.
Wahlweise oder zusätzlich kann mindestens ein Anteil von dem Eingangsgas während der Bestrahlung zerfallen, wobei das Plasma wenigstens teilweise in dem Zerfallsprodukt von dem genannten Eingangsgas angeregt wird.
Das Reduktionsmittel kann ein mit dem Erz oder dem Konzentrat gemischtes partikuläres, kohlenstoffhaltiges Material enthalten.
Das Reduktionsmittel kann Kohlenmonoxidgas enthalten, wobei das Eingangsgas das Kohlenmonoxidgas enthält, wobei das Plasma wenigstens teilweise in dem Kohlenmonoxidgas angeregt wird.
Das Reduktionsmittel kann Kohlenmonoxidgas und ein partikuläres, kohlenstoffhaltiges Material enthalten.
Alternativ dazu kann das Reduktionsmittel ferner ein reaktives Metall enthalten.
Das Eingangsgas kann ein Inertgas enthalten.
Das Inertgas kann Argon oder Stickstoff umfassen.
Das Eingangsgas kann Luft umfassen.
Das Reduktionsmittel kann Methan enthalten.
Vorzugsweise ist die Strahlung eine Mikrowellenstrahlung.
Das Erz oder das Konzentrat können ein Konzentrat sein, das unmittelbar von abgebautem Erz abgeleitet ist.
Wahlweise können das Erz oder das Konzentrat ein Konzentrat sein, das nicht unmittelbar von abgebautem Erz abgeleitet ist. Said non-ore concentrate may be a residue derived, waste derived or mining derived concentrate, such as from mine tailings or concentrator residue.
Das Erz oder Konzentrat können als ein Konzentrat in der Form eines von metallurgischen Bearbeitungsprozessen abgeleiteten Rückstandes vorliegen, wie beispielsweise einer Schlacke, einer Aufschlämmung oder Schlamm, die aus metallurgischen Bearbeitungsprozessen abgeleitet sind. Derartige Rückstände können aus pyrometallurgischen, hydrometallurgischen, chemometallurgischen oder elektrometallurgischen Bearbeitungsabschnitten während der ersten, zweiten und/oder dritten Stufen der metallurgischen Bearbeitungsprozesse erhalten worden sein.
Die Reaktionskammer kann in der Form von einem Wirbelschichtreaktor vorliegen.
Die Reaktionskammer kann wahlweise in der Form von einem Ofen vorliegen, wobei das Erz oder das Konzentrat in einen Schmelztiegel geladen wird, der in dem Ofen platziert ist.
Die Reaktionskammer kann in der Form von einem Drehofenreaktor vorliegen.
Die Reaktionskammer kann in der Form von einem Zyklonreaktor vorliegen.
Die Reaktionskammer kann in der Form von einem Förderer-gespeisten Reaktor vorliegen.
In einem derartigen Förderer-gespeisten Reaktor wird das Erz oder das Konzentrat vorzugsweise zu einer pelletisierten partikulären Form vorbereitet.
Vorzugsweise liegt das Reduktionsprodukt in metallischer Form vor.
Das metallische Reaktionsprodukt kann in der Form von Dampf vorliegen, wobei der genannte Dampf aus der Reaktionskammer abgezogen und von den Gasen abgeschieden wird, die während der genannten Reduktion erzeugt werden.
Wahlweise ist das Reduktionsprodukt eine Verbindung in einem reduzierten Oxidationszustand.
Das Reduktionsprodukt kann durch Reduktion des Erzes oder des Konzentrats durch eine Reihe von nachfolgenden Reduktionsreaktionen gebildet werden.
Das Verfahren kann den Schritt des Erzeugens von Kohlenmonoxid beinhalten, wobei das genannte Plasma wenigstens teilweise in dem Kohlenmonoxid angeregt und gehalten wird.
Wenn das Eingangsgas Luft enthält und das Reduktionsmittel partikuläres, kohlenstoffhaltiges Material enthält, kann das Kohlenmonoxid durch die Reaktion von dem Sauerstoff in der Luft mit dem partikulären, kohlenstoffhaltigen Material erzeugt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann, wenn das Eingangsgas Luft enthält und das Reduktionsmittel partikuläres, kohlenstoffhaltiges Material enthält, das Kohlenmonoxid durch die Reaktion von dem Kohlendioxid, welches während der Reduktion mit dem partikulären, kohlenstoffhaltigen Material hergestellt wird, erzeugt werden.
Anderenfalls oder zusätzlich kann das partikuläre, kohlenstoffhaltige Material in die Reaktionskammer nach dem Anregen von dem Plasma eingeleitet werden, wobei das Kohlenmonoxid durch die Reaktion von dem während der Reduktion produzierten Kohlendioxid und/oder mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff, wenn das Eingangsgas Luft enthält, mit dem eingeleiteten partikulären, kohlenstoffhaltigen Material erzeugt wird.
Vorzugsweise wird das Erz oder das Konzentrat während der genannten Reduktion und während des Kühlens des Reduktionsproduktes nach der Bestrahlung von der genannten Reaktionskammer von einer nicht-oxidierenden oder Inertgasumgebung umhüllt.
Vorzugsweise wird das genannte nicht-oxidierende oder Inertgas während des Kühlens in die genannte Reaktionskammer eingeleitet.
In einer Ausführungsform wird das Eingangsgas während des Bestrahlungsschrittes durch das Erz oder Konzentrat hindurchgeleitet.
Vorzugsweise wird das Eingangsgas aufwärts durch das Erz oder das Konzentrat geblasen.
Vorzugsweise wird das Eingangsgas vor dem Laden in die Reaktionskammer vorerhitzt.
Es ist eine übliche Auffassung gewesen, dass die Erzeugung von Plasmen während der chemischen Mikrowellenbearbeitung von Materialien, und insbesondere während der pyrometallurgischen Reduktion von metallhaltigen Erzen oder Konzentraten, schädlich für die Prozesssystemhardware und die Diagnoseeinrichtungen für Überwachung und Regelung und entsprechend ist es typisch für derartige Prozesse, dass sie in einer Art und Weise kontrolliert werden, um ausdrücklich die Erzeugung von Plasma zu vermeiden.
Die Reaktionsgeschwindigkeiten können jedoch mit einer oder mehreren Größenordnungen bei der Plasmaprozessierung ansteigen. Ein Plasma ist eine Mischung aus angeregten Molekülen, Atomen, Ionen, Elektronen und rekombinierten Partikeln in einem im Grundstadium befindlichen Wirtsgas. Mit den hohen Partikelenergien, welche für derartige Komponenten kennzeichnend sind, unterscheidet sich das physikalische und chemische Verhalten von diesen Komponentenpartikeln ausgesprochen von den äquivalenten Partikeln „im Grundzustand".
In pyrometallurgischen Prozessen, welche in einer Plasmaumgebung durchgeführt werden, existiert eine Vorherrschaft der Reaktionschemie, die an der Grenzfläche Plasma-Feststoff oder Plasma-Flüssigkeit stattfindet. Während dieses Merkmal charakteristisch für pyrometallurgische Prozesse im Allgemeinen ist, sind die Reaktionsgeschwindigkeiten über diese Grenz flächen durch die Plasmachemie außerordentlich erhöht, mit einer Fülle an hochenergetisierten reaktiven Spezies.
Plasmen, die bei „hohen" Drücken angeregt und gehalten werden, weisen eine annähernde Gleichwertigkeit der Temperatur zwischen Elektronen und schweren Partikeln (Ionen, Atome, angeregte Moleküle) auf. Dementsprechend werden diese Plasmen Gleichgewichts-Plasmen genannt, da hier ein (annähernd) thermales Gleichgewicht zwischen den Partikeln vorliegt. Dies zeigt sich insbesondere bei höheren Drücken, da die hohe Dichte an Partikeln eine gesteigerte Häufigkeit der Kollision zwischen den Partikeln bereitstellt, wobei die Energie relativ gleichförmig zwischen den Partikeln verteilt wird, was eine konstante Haupttemperatur durchgehend in der Partikelspezies von dem Plasma bereitstellt. Aufgrund der Hochenergiedichten (thermale Masse), sind Gleichgewichtsplasmen gewöhnlich als Vorstufen-Verfahren in der Materialbearbeitung wegen ihrer Fähigkeit feste Materialien zu Erhitzen, zu Sintern, zu Schmelzen oder zu Verdampfen verwendet worden. Dies sind alles im Wesentlichen physikalische Prozesse, die lediglich den Vorteil der physikalischen thermalen Kinetiken (Eigenschaften) von dem Gleichgewichtsplasma wahrnehmen.
Plasmen im Nichtgleichgewichtszustand, die eher kennzeichnend sind für Niedrigdruckumgebungen, sind durch eine Nichtgleichwertigkeit der Partikeltemperatur gekennzeichnet, wobei die „Temperatur" der Elektronen bei weitem die Temperaturen von den schwereren Partikeln übersteigt. 1 veranschaulicht bildlich die Trennung der Temperaturen der Elektronen und den schwereren Partikel bei niedrigen Drücken, sowohl mit konventionellen Plasmen als auch mit Plasmen, die durch Mikrowellen-(oder RF-)Strahlung stimuliert wurden. Es ist hier zu sehen, dass bei höheren Drücken die Temperaturen der Elektronen und der schwereren Partikel zusammenfließen. Bei einem Plasma im Nichtgleichgewichtszustand können das physikalische und das chemische Verhalten von den Komponentenpartikeln tief greifend zu dem in der äquivalenten Grundzustandsumgebung unterschiedlich sein. Bei einem Plasma im Nichtgleichgewichtszustand, wobei die verschiedenen Partikelspezies sich mit unterschiedlichen Energien bewegen, wird die Messung einer derartigen Energie, die typischerweise in der Form von einer „Temperatur" gemessen wird, sehr stark zwischen den Spezies und zwischen den Partikeln in jeder Speziespopulation variieren. Dies wird offensichtlich, wenn die „Temperatur", eine Messgröße der thermischen Energie, durch ein Ablesen des Mittelwertes unter Herausmitteln der Elektronenspannungen (Temperaturäquivalente) von Partikeln, die keine Korrektur für die „thermische Masse" haben, erhalten wird. Dementsprechend wird die Temperatur von dem Plasma selbst bedeutungslos, da Partikel-„Temperaturen" vielleicht mit vier Größenordnungen variieren und die „Haupt"-Temperaturmessungen des Plasmas durch verschiedene Verfahren sich durch eine Größenordnung unterscheiden.
Die Leistungsfähigkeit der Bearbeitung von Plasmen im Nichtgleichgewichtszustand bei niedrigem Druck wird eher durch die Reaktivität der vorhandenen chemisch reaktiven Spezies bestimmt als von der Gesamtenergie, die im Plasma verfügbar ist. Diese Reaktivität macht die Plasmen im Nichtgleichgewichtszustand eher geeignet für Systeme, die von den chemischen Kinetiken der chemischen Reaktionen abhängig sind, wie die von der vorliegenden Anmeldung, als die Gleichgewichts-Plasmen, die, wie vorangehend diskutiert, hauptsächlich in physikalischen Prozessen verwendet worden sind.
Die Form von dem Diagramm in 1 wird von verschiedenen Parametern abhängen, einschließlich der Gaszusammensetzung, der Ionisierungseigenschaften der vorhandenen Spezies und der Form der Energie, die auf das System angewendet wird, um das Plasma zu erzeugen. Der Druck, bis zu dem ein Plasma in dem Nichtgleichgewichtszustand ist, wird, abhängig von diesen und anderen Parametern, demzufolge variieren.
Typische Verfahren zur Herstellung von Plasmen sind mittels Ionisierung durch Erhitzen (thermische Stimulation), Ionisierung mittels Bestrahlung und Ionisierung mittels elektrischer Entladung. Während die meisten Plasmaherstellungsverfahren in einem Gleichgewichtsplasma bei Drücken um den Atmosphärendruck herum resultieren werden, wird angenommen, dass die Erzeugung von einem Plasma durch Bestrahlung, insbesondere in den Bereichen der RF- und Mikrowellenfrequenzen zwischen 30 MHz und 300 GHz, die Kurve von 1 wie dargestellt nach rechts derart verschieben wird, dass Plasmen im Nichtgleichgewicht erzeugt und bei betrieblich bedeutsamen Drücken um den atmosphärischen Druck (101,4 kPa) und bis zu drei Atmosphären (etwa 300 kPa) unter ausreichend zugeführter Energie, zweckmäßigen vorhandenen Spezies (Chemie) und bei reagierenden Bestrahlungsfrequenzen gehalten werden können.
Hier wird angenommen, dass dies das Ergebnis von der Mikrowellenbestrahlung ist, welche den dielektrisch verschiedenen Partikeln von dem Plasma Energie zuführt, insbesondere den Elektronen. Bei Frequenzen innerhalb der RF- und Mikrowellen-Frequenzen können nur die Elektronen in dem ionisierten Feld den Oszillationen von dem angelegten elektrischen Feld folgen. Daraus ergibt sich, dass die Elektronen derart höher gegenüber den schwereren Partikeln von dem Plasma energetisiert werden, dass die RF-/Mikrowellen-Plasmen im Allgemeinen als im Nichtgleichgewicht befindliche Plasmen definiert werden können. Derartige RF-/Mikrowellen-Plasmen können über einen großen Druckbereich von unterhalb 0,1 kPa (für Prozesse außerhalb des Hauptinteresses der vorliegenden Erfindung) bis zu Drücken, die über 300 kPa hinausgehen, angeregt und gehandhabt werden.
Wenn ein Mikrowellenfeld über einem Gas angelegt ist, werden die geladenen Partikel in diesem gas beschleunigt. Weil die Masse der Elektronen viel, viel kleiner als die der schwereren Ionen, Atom- und Molekülpartikel ist, wird die Wirkung von dem Feld hauptsächlich die sein, Energie an die Elektronen abzugeben. Dementsprechend können die Elektronentemperaturen in dem extrem hohen Bereich von zehntausenden Grad Kelvin liegen, während hingegen die scheinbare kalorische Mitteltemperatur von dem Plasma (hauptsächlich durch die schwereren Partikel bestimmt) um Größenordnungen niedriger liegt.
Die Reaktionsgeschwindigkeiten werden im Allgemeinen durch die Massentransport-Diffusion, welche durch die dielektrischen Aufheizmechanismen während der RF-/Mikrowellenbearbeitung sehr stark erhöht wird, von den Ausgangsstoffen reguliert, typischerweise in der Gegenwart von einem RF-/Mikrowellen-stimulierten Plasma, das, per Definition, eine große Population an reaktiven Spezies aufweisen wird.
Die Plasmabearbeitung unter Verwendung der RF-/Mikrowellen-Stimulation gestattet ebenfalls einen großen Grad der Kontrolle über den Prozess, wobei die Mikrowellenbestrahlung auf die Füllung der Ausgangsstoffe ausgerichtet werden kann, auf solche Weise, dass die gesamte Füllung der Ausgangsstoffe innerhalb der Reaktionskammer umhüllt wird oder eine diskrete Zone innerhalb der Füllung besetzt wird. In kontinuierlichen Bearbeitungssystemen kann die Verweilzeit und die thermochemischen Parameter wirksam durch die Kontrolle von der angewandten Strahlung reguliert werden, was überlegene Bearbeitungs- oder Reduktionsergebnisse liefert.
Während niedrigere Drücke, die deutlich unter dem Atmosphärendruck liegen, eindeutig die Erzeugung von einem Nichtgleichgewichts-Plasma mit einem großen Missverhältnis zwischen den Temperaturen von den Elektronen und den schwereren Partikeln sicherstellen, wird, falls der Druck in der Reaktionskammer zu gering ist, dann die Dichte der reaktiven Spezies für das Ausführen der chemische Bearbeitung für eine ökonomisch durchführbare Bearbeitung zu niedrig werden. Dementsprechend wird bevorzugt, dass der Druck in der Reaktionskammer, in welcher das Plasma angeregt und gehalten wird, größer als 40 kPa ist.
Der innewohnende Vorteil der Nichtgleichgewichts-Plasmachemie (Ionisierungschemie) von den Nichtgleichgewichts-Plasmen ist, wenn sie in chemischen und metallurgischen Anwendungen eingesetzt werden, dass diese Plasmen Partikel mit der hohen Energie bereitstellen können, die benötigt wird, um die chemischen Reaktionen bei hohen kinetischen Geschwindigkeiten zu stimulieren und zu vervollständigen. Für den Bereich der Anwendungen, der für die vorliegende Erfindung maßgeblich ist, sind hohe Geschwindigkeiten des Massetransfers mit hohen kinetischen Geschwindigkeiten erwünscht. Demzufolge sind häufig kommerziell durchführbare Produktivitätsniveaus bei den extrem niedrigen Drücken, welche extrem niedrige Geschwindigkeiten des Massetransfers bereitstellen, nicht erzielbar.
Umgekehrt besteht der Vorteil des Durchführens bestimmter Reaktionen unter Bedingungen eines Nichtgleichgewichts-Plasmas, ungeachtet der niedrigen Massetransfergeschwindigkeiten, darin, das in der Plasmaumgebung niedriger Dichte, die hochenergetischen freien Elektronen und die ionisierten Partikel einen größeren freien Weg im Durchschnitt zurücklegen, bevor sie eine Kollision und Rekombination erfahren, was eine außerordentlich gesteigerte Energie für die Rekombinationschemie verleiht. Diese an möglichen Reaktionsstellen vorliegende gesteigerte Energie ermöglicht, dass der Aktivierungsenergiebedarf für die Reaktionen, die einen außerordentlich hohen Energieeinsatz für ihr Voranschreiten benötigen, erreicht wird. Infolgedessen können bestimmte thermodynamisch anspruchsvolle metallurgische und chemische Reaktionen wirkungsvoll, falls langsam, oder wenn überhaupt, durch die Verwendung der außerordentlich hochenergetischen Partikel bei niedrigen Drücken ausgeführt werden.
Prozesse, welche einen Schutz vor Reoxidationsreaktionen benötigen, profitieren von dem Schutz, wie er durch das Entfernen von potentiellen Oxidationsquellen durch anfänglichen und kontinuierlichen Abtransport von oxidierenden Reagenzien, wie beispielsweise von dem verbreiteten Reduktionsreaktionsprodukt Kohlendioxid, eingeschlossen ist. Dies kann durch Halten des Prozesses bei niedrigen Drücken und kontinuierlichem Evakuieren der Reaktionskammer erreicht werden. Wahlweise oder zusätzlich kann dieses Kohlendioxid mit feinem Kohlenstoff in der Reaktionskammer bei erhöhten Temperaturen zu dem Reduktionsmittel Kohlenmonoxid umgewandelt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die bevorzugten Formen von der vorliegenden Erfindung werden jetzt weiter durch Beispiele mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 ein Diagramm darstellt, das die Auftrennung der Temperaturen von Elektronen und schweren Partikeln bei verschiedenen Drücken in einem Plasma zeigt.
2 eine Teilquerschnittsansicht von einer Reaktionskammer darstellt, wie sie in dem Prozess von Beispiel 1 verwendet wurde.
3 eine Teilquerschnittsansicht von einer Reaktionskammer darstellt, wie sie in dem Prozess von Beispiel 2 verwendet wurde.
4 eine Teilquerschnittsansicht von einer Reaktionskammer darstellt, wie sie in dem Prozess von Beispiel 3 verwendet wurde.
5(a) eine Teilquerschnittsansicht von einer Reaktionskammer darstellt, wie sie in dem Prozess von Beispiel 4 verwendet wurde.
5(b) eine vergrößerte Teilansicht von dem oberen Teilbereich der Reaktionskammer von 5(a) zeigt.
5(c) eine Teilquerschnittsansicht von dem Gaserzeugungssystem darstellt, das mit der Reaktionskammer von 5(a) verbunden ist.
5(d) eine Querschnittsansicht von der Reaktionskammer aus 5(a) darstellt, die bei Schnitt 5-5 gemacht wurde.
6 eine Teilquerschnittsansicht von einer Reaktionskammer darstellt, wie sie in dem Prozess von Beispiel 5 verwendet wurde.
7 eine Teilquerschnittsansicht von einer Reaktionskammer darstellt, wie sie in dem Prozess von Beispiel 6 verwendet wurde.
8 eine Teilquerschnittsansicht von einer Reaktionskammer darstellt, wie sie in dem Prozess von Beispiel 7 verwendet wurde.
9(a) eine Teilquerschnittsansicht von einer Reaktionskammer darstellt, wie sie in dem Prozess von Beispiel 8 verwendet wurde.
9(b) eine Querschnittsansicht von der Reaktionskammer aus 9(a) darstellt, die bei Schnitt 9B-9B gemacht wurde.
9(c) eine Querschnittsansicht von der Reaktionskammer aus 9(a) darstellt, die bei Schnitt 9C-9C gemacht wurde.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
BEISPIEL 1
Dieses Beispiel beschreibt ausführlich einen Prozess zur Reduktion von Monazit [(Ce,La,Th)PO₄], unter Verwendung eines Schmelztiegel-Batch-Reduktionsprozesses, um den Phosphor (aus dem Phosphat) zu beseitigen und die reduzierten Schwermetalle in ein metallisches oder Hartmetall-Produkt zu konzentrieren. Wenn der Phosphor entfernt ist, ist das Reaktionsprodukt aus Schwermetall-(Hartmetall-)Konzentrat für die weitere extraktive Aufarbeitung in einer Route über Halogenierung, fraktionelle Destillation und danach Auftrennung geeignet. Das in diesem Beispiel verwendete Monazit enthielt La;Ce:Th in einem angenäherten Atomverhältnis von 3:1:1. Andere Phosphatmineralien sind ebenfalls auf eine ähnliche Art und Weise mit vergleichbaren Ergebnissen bearbeitet worden. Die Vorrichtung, die für die Ausführung von dem Prozess in diesem Beispiel verwendet wurde, ist in 2 dargestellt.
Zuerst wurde das Monazit-Konzentrat, welches aus Mineralsanden erhalten worden war, durch Mahlen auf eine Korngröße von weniger als 10 Mikrometer in eine partikuläre Form gebracht und innig mit einem stöchiometrischen Überschuss von 10% eines Reduktionsmittels in der Form von feinem reinen Kohlenstoff vermischt. Die feine Mischung erhöht die verfügbare Reaktionsfläche der Grenzschicht.
100 Gramm von dem Gemisch aus Monazit und Koh lenstoff wurden in einen Schmelztiegel 1 aus Aluminiumoxid niedriger Dichte gefüllt (siehe 2). Der Schmelztiegel 1, der aus Aluminiumoxid niedriger Dichte geformt ist, ist für Mikrowellen durchlässig. Das Monazit/Kohlenstoff-Gemisch wurde lose ohne Verdichten in den Schmelztiegel 1 eingefüllt, um seine Permeabilität zu maximieren.
Ein für Mikrowellen durchlässiges, aus Aluminiumsilikat bestehendes Faservlies, bedeckte als Isolierhülle 2 das Äußere von dem Schmelztiegel, wobei dieser abgeschirmt wurde, um die Hitze innerhalb des Schmelztiegels 1 zu halten. Eine teilweise offene Isolierhaube 2a wurde über die Öffnung von dem Schmelztiegel platziert, um diesen zu isolieren, während gleichzeitig das Entweichen von Gasen und das Beobachten des Schmelztiegelinhaltes gestattet wird. Der zur Isolierung umwickelte Schmelztiegel 1 wurde anschließend in eine Reaktionskammer 3 gestellt, in der Form von einer zweckgebundenen, evakuierbaren Reaktionskammer, die in der Lage war, bei einem wirksamen „vollständigen" Vakuum von weniger als 0,1 kPa bis 1000 kPa (ungefähr 10 Atmosphären) betrieben zu werden. Der Schmelztiegel 1 wurde auf einen für Mikrowellen durchlässigen Abstandhalter 4 aus feuerbeständigem Stein gestellt, um so die Füllung des Monazit/Kohlenstoff-Gemisches in Richtung des Zentrums der Reaktionskammer 3 zu positionieren, um damit seine Lokalisierung innerhalb des angewandten Mikrowellenfeldes zu optimieren und somit gleichzeitig das Beladungspotenzial zu optimieren.
Die Reaktionskammer 3 wurde dann mit einer Haube 5 verschlossen. Ein Dichtungsring 6 mit dem Zusatz von Vakuumfett wurde verwendet, um die Verbindung zwischen dem oberen hervorspringenden Rand 7 der Reaktionskammer und der Haube 5 zu verschließen. Der hervorspringende Rand 7 und die Haube 5 wurden dann von außen unter Verwendung von einer geeigneten Klammer 8 geklammert. Die Haube wurde mit einer Beobachtungsöffnung 20 aus gestattet, um das visuelle Überwachen von dem Prozess zu ermöglichen.
Die verschlossene Reaktionskammer 3 wurde anschließend über den Reaktionskammerauslass 9 unter Verwendung einer geeigneten Vakuumpumpe evakuiert. Die Reaktionskammer 3 wurde bis zu dem durch das System bedingte Pumpenlimit von weniger als 1 kPa evakuiert, wie auf dem Vakuumanzeigegerät 10 kontrolliert. Die Reaktionskammer 3 wurde anschließend für zwei Minuten mit hochreinem Argongas über den Gaseinlass 11 beschickt. Der Evakuierungs-/Beschickungs-Zyklus wurde danach noch dreimal wiederholt, um sicherzustellen, dass im Wesentlichen die gesamte Luft innerhalb der Reaktionskammer durch das Argongas ersetzt worden war. Das Entfernen der Luft stellte sicher, dass der gesamte Sauerstoff aus der Reaktionskammer entfernt worden war, und eine inerte Atmosphäre zurückgelassen wurde, welche das Reaktionsprodukt vor der Reoxidation schützt.
Die Argonzufuhr wurde danach abgeschaltet und die Reaktionskammer 3 für den Reduktionsprozess auf einen Minimaldruck von 40 kPa evakuiert, wobei der Systemdruck wiederum über das Vakuumanzeigegerät 10 auf Stabilität über einen Zeitraum von 5 Minuten kontrolliert wurde.
Die Reaktionskammer wurde anschließend mit der Mikrowellenstrahlung über einen oben angebrachten Wellenleiter 12 bei einer Leistung von 1 kW und einer Frequenz von 2.450 MHz bestrahlt. Der Wellenleiter 12 wurde mit einem für Mikrowellen durchlässigen Keramikfenster 13, das aus Aluminiumoxid gefertigt war, an der Übergangsstelle zu der Reaktionskammer 3 angebracht, um diesen zu verschließen und gegen die Strahlungshitze zu isolieren.
Der Rest von dem Argongas (bei 40 kPa) in der weitgehend evakuierten Reaktionskammer 3 war die ideale Umgebung für die Stimulation von einem Nichtgleichgewichts-Plasma, die in der Lage war, die anfängliche Festkörperreduktion von dem Monazit unter Verwendung des Kohlenstoffs als Reduktionsmittel zu initiieren, wobei Kohlenmonoxid (CO) als ein Nebenprodukt von dieser anfänglichen Festkörperreduktion hergestellt wurde. Diese anfängliche Festkörperreduktion kann durch die nachstehende Gleichung 1(a) wiedergegeben werden: (Ce,La,Th)PO₄ + 4C ⇒ (Ce,La,Th)OC + P + 3CO ⇑ 1(a)
Das in der obigen Festkörperreduktion hergestellte CO wird selbst zu einem wirksamen Reduktionsmittel, wobei es Kohlenstoff in einer gasförmigen Form mit einer größeren Wirksamkeit zu der Reaktionsgrenzfläche transportiert. Ebenfalls bedeutsam für die Kinetiken von der Reaktion, ionisiert das gasförmige CO in der durch die Mikrowellen stimulierten Umgebung, um das Plasma anzureichern und außerordentlich aktive positive Ionenspezies (hauptsächlich CO⁺) bereitzustellen, welche in dem ursprünglichen Argonplasma nicht vorhanden sind. Während das Argonplasma außerordentlich energiereiche negative (einschließlich Elektronen), positive, rekombinierte und angeregte Spezies aufweist, stellt es keine reaktiven Radikalspezies bereit. Die Ionisierung von dem CO und die Gasphasenreduktion von dem Monazit kann durch die nachfolgenden Gleichungen 1(b) und 1(c) wiedergegeben werden: CO ⇒ CO⁺ + e 1(b) (Ce,La,Th)PO₄ + 3CO ⇒ (Ce,La,Th)OC + P + 3CO₂ ⇑ 1(c)
Das CO in der Gleichung 1(c) kann in der ionisierten Form CO⁺ vorliegen.
Ein weiterer letzter Reduktionsschritt von dem Oxycarbid zu einem (komplexen) Metallcarbid wurde ausgeführt, wieder unter Verwendung von CO (mindestens teilweise ionisiert) als Reduktionsmittel. Die nachfolgende Gleichung 1(d) kann verwendet werden, um angemessen diesen letzten Schritt von dem Reduktionsprozess zu beschreiben: x(Ce,La,Th)OC + yCO ⇒ (Ce,La,Zh)_XC_Y + nCO₂ ⇑ + mCO ⇑ 1(d)
Wiederum kann das CO in der Gleichung 1(d) in der ionisierten Form CO⁺ vorliegen.
Während diese Reduktion zu dem Carbid durch die Analyse bestätigt wurde, zeigte das sehr heiße Carbid eine Neigung Sauerstoff aus dem ansonsten sehr stabilen Oxidschmelztiegel (und anderem feuerbeständigen Material, mit dem es in Kontakt ist) zu entziehen und einen Großteil von dem Carbid-Produktmaterial zu der/den stabileren Oxycarbid-Phase(n) zurückzubringen.
Während der vorangehend erwähnten Reduktionsreaktionen, wurden die dabei produzierten Gase aus der Reaktionskammer über den Auslass 9 während der laufenden Evakuierung von der Reaktionskammer 3 derart abgesaugt und gepumpt, dass der Druck in der Reaktionskammer immer unterhalb von 50 kPa (absolut) blieb. Mit diesem niedrigen Druck, der während des ganzen Prozesses hindurch gehalten wurde, kann für das ununterbrochene Plasma wohl angenommen werden, dass es gut innerhalb der Nichtgleichgewichtsbedingungen geblieben ist.
Die Mikrowellenbestrahlung, welche das Plasma und die Reduktionsreaktionen aufrechterhält, wurde fortgeführt, bis die charakteristische CO-Plasmafarbe nicht mehr länger visuell mit der gleichen Intensität nachgewiesen werden konnte. Diese Änderung in der Plasmafarbe und Intensität lässt vermuten, dass CO nicht mehr länger hergestellt wurde, was darauf hinweist, dass die Reduktion abgeschlossen worden ist, zusammen mit einer damit verbundenen Verminderung des Druckes, bis hinunter zum Pumpenlimit. In dieser Phase wird von dem Plasma angenommen, dass es hauptsächlich ein CO-Plasma gewesen ist, wobei das Argon überwiegend während der konstanten Evakuierung durch den Reaktionskammerauslass 9 durch das System gespült wurde.
Eine Minute über diesen visuell bestimmten Punkt der vorangehend diskutierten verminderten Farbe und Intensität des CO-Plasmas und etwa 10 Minuten nach dem Plasmaanfang wurde die Mikrowellenenergie abgeschaltet. Argon wurde in die weiterhin evakuierte Kammer über den Gaseinlass 11 einströmen lassen und der Druck stabilisierte sich bei 20 kPa (absolut) für eine Stunde (um hauptsächlich das Abkühlen durch Verfestigung einzuschließen). Die Vakuumpumpe wurde anschließend abgekoppelt und die Reaktionskammer 3 an der Pumpenseite abgedichtet und mit hochreinem Argon auf einen maßvollen positiven Druck wieder aufgefüllt und dort gehalten, bis sie vollständig abgekühlt war, bevor sie an dem folgenden Tag geöffnet wurde.
Die Reaktionskammer 3 wurde langsam auf Atmosphärendruck gebracht, vorsichtig geöffnet, sodass das Reaktionsprodukt weder gestört, entfernt noch kontaminiert wurde, und der Schmelztiegel 1 aus der Reaktionskammer 3 herausgenommen. Der Schmelztiegel 1 enthielt das reduzierte Schwermetallcarbid-(Oxycarbid)Produkt, mit Asche und Gangartschlacke obenauf. Der Schwermetallinhalt von Schmelztiegel 1 wurde von der Schmelztiegelwand geschabt und für die Analyse und die weitere Bearbeitung wie gewünscht aufbewahrt.
Die Metallreaktionskammerwand 1 und die metallischen Verfestigungs-Prallplatten 14, welche den Reaktionskammerauslass 9 (welcher den Vakuumpumpeneinlass bildet) durch das Sammeln des Kondensates von den heißen Dampfphasen vor ihrem Ausströmen durch den Auslass 9 schützen, waren massenhaft mit „flockigem" unbeständigem Phosphor beschichtet. Der zurückgewonnene Phosphor wurde als reiner, elementarer Phosphor analysiert, wie es durch die Gleichungen 1(a) bis 1(d) erwartet wurde. Die Reaktorkomponenten wurden anschließend von den Reaktionsprodukten in Vorbereitung auf weitere Batch-Bearbeitungen gereinigt.
BEISPIEL 2
Dieses Beispiel beschreibt ausführlich einen Prozess zum ökonomischen Zurückgewinnen von wertvollen Metallen aus metallurgischen Abfällen und Schlacken, unter Verwendung eines Schmelztiegel-Batch-Reduktionsprozesses. Das Zink wurde aus einer zinkhaltigen Schlacke durch in situ-Reduktion von dem Metall in der Schlacke und Rückgewinnung des Metalls als metallischer Rauch aus der heißen Reaktionsschicht zurückgewonnen. Der Zinkrauch kann, zu diesem Zeitpunkt, zu einer veredelten Qualität von Zinkoxidpulver reoxidiert oder mit einem Halogen umgesetzt werden, um ein Zinkhalid zu ergeben. Im Zusammenhang mit dieser Spezifikation muss verstanden werden, dass ein Rauch einen metallischen Dampf oder ein metallisches Oxid, metallisches Halid oder einen weiteren ähnlichen Dampf, der von einem metallischen Dampf abgeleitet ist, einschließt.
Der Prozess wurde erfolgreich in einem Gasgemisch aus Stickstoff und Kohlenmonoxid bei Atmosphärendruck durchgeführt, im Gegensatz zu dem verminderten Druck in Beispiel 1. Da Metalle wie Zink weniger ein „Sauerstofffänger" sind als die „reaktiven Metalle" (wie beispielsweise La, Ce und Th von der reduzierten festen Produktphase von Beispiel 1), wies das reduzierte Zinkprodukt von dem vorliegenden Beispiel eine geringere Tendenz zur Reoxidation auf und benötigte dementsprechend weniger Schutz gegen Reoxidation. Infolgedessen konnte der Prozess erfolgreich bei Atmosphärendruck durchgeführt werden, da die Neigung von dem reduzierten Produkt, zu reoxidieren, durch die Reduktionsbedingungen in der Reaktionsumgebung von der Reaktionskammer unterdrückt wurde. Das gewünschte Rauchprodukt (Metall, -oxid oder -halid) diktierte die Zusammensetzung von und die damit zusammenhängenden chemischen Möglichkeiten für die Reaktionskammerumgebung, in welcher das Zink reduziert und angeraucht wurde. In dem vorliegenden Beispiel konnten die Wirksamkeit des Prozesses und die Produktqualität durch das Erzeugen und Halten von einem Nichtgleichgewichts-Plasma bei Atmosphärendruck gehalten werden und dementsprechend wurden die Schwierigkeiten und der Aufwand für das Erhalten und Kontrollieren von einer Reaktionskammerumgebung mit vermindertem Druck vermieden.
Die Vorrichtung, die für die Ausführung von dem Prozess in diesem Beispiel verwendet wurde, ist in 3 dargestellt.
Das Zink-haltige metallurgische Schlackenmaterial, welches einen mineralogischen Gehalt an Zinkoxid (ZnO) aufweist, oder eine mehr komplexe Mineralogie mit ZnO-Äquivalenten, wurde in eine partikuläre Form mit einer Korngröße von weniger als 500 Mikrometer gemahlen und zu dem doppelten des stöchiometrischen Bedarfs (unter Bezugnahme auf ZnO) mit einem Reduktionsmittel in der Form von feiner reaktiver Aktivkohle vermischt.
100 Gramm von dem Gemisch wurde in einen Aluminiumoxid-Schmelztiegel 101 eingefüllt. Die Füllung wurde lose gepackt, um die Durchlässigkeit davon zu maximieren. Der Boden von dem Schmelztiegel 101 wurde mit feinen Durchlässen 101a ausgestaltet, die hindurchgehen, wodurch der Boden porös wird und ein Aufsteigen der Gase durch die lose gepackte Füllung aus Schlacke und Aktivkohle ermöglicht. Der Schmelztiegel wurde auf einem unbeweglichen Keramikbehälter 114 angebracht, der oben eine Öffnung aufweist, die mit den Durchlässen 101a von dem Schmelztiegelboden in Verbindung steht.
Der Schmelztiegel 101 und der Behälter 114 wurden mit einer aus Aluminiumoxidsilikat-Faservlies bestehenden Isolierhülle 102 isoliert, um den Schmelztiegel 101 vor Hitzeverlust abzuschirmen. Der Isolierte Schmelztiegel 101 und der Behälter 104 wurden anschließend in eine Reaktionskammer 103 in der Form von einem zweckmodifizierten handelsüblich erhältlichen 1.300 W Mikrowellenofen platziert. Die Schmelztiegel/Behälter-Anordnung wurde auf einen geeigneten Abstandhalter 104 aus feuerbeständigem Stein gestellt, um die Füllung in Richtung des Zentrums der Reaktionskammer 3 zu positionieren und dementsprechend günstig innerhalb des angewendeten Mikrowellenfeldes zu platzieren. Die Öffnungen von dem Schmelztiegel 101 wurden teilweise durch eine lose, für Mikrowellen durchlässige Isolierhaube 102a bedeckt, um das Entweichen von Rauchreaktionsprodukten zu ermöglichen, während der Großteil von der Hitze innerhalb des Schmelztiegels 101 gehalten wird. Eine Beobachtungsöffnung 120 in dem Deckel von der Reaktionskammer 103 gestattete die visuelle Überwachung von dem Reaktionsprozess.
Die Reaktionskammer 103 wurde geschlossen und dann gleichzeitig über den Auslass 109 durch eine Vorvakuumpumpe evakuiert, während Stickstoffgas in die Reaktionskammer 103 über den Hauptgaseinlass 111 einströmte. Nach fünf Minuten wurde die Vorvakuumpumpe abgekoppelt und die Stickstoffzufuhr wurde zum Ausspülen und Füllen der Reaktionskammer 103 auf einen positiven Druck gesteigert. Die Reaktionskammer 103 war nicht von sich aus luftundurchlässig und dementsprechend blieb der Druck innerhalb der Reaktionskammer 103 nahe dem Atmosphärendruck. Nachdem für fünf Minuten gespült worden war, wurde der Hauptgaseinlass 111 geschlossen. Eine Reduktionsmittel-Gasmischung aus 20% CO in Stickstoff wurde bei einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit in den Behälter 114 über einen zweiten Gaseinlass 115, der durch den Boden der Reaktionskammer 103 damit in Verbindung steht, zugeführt. Die Zufuhr von dem Reduktionsmittelgas in den Behälter 114, bei einem positiven Druck, resultierte darin, dass das Reduktionsmittelgas durch die Durchlässe 101a in dem Boden von dem Schmelztiegel 101 hindurchströmte und die Schlacke/Aktivkohle-Füllung durchdrang.
Die Reaktionskammer 103 wurde dann mit der Mikrowellenstrahlung bei einer Frequenz von 2.450 MHz und einer angelegten Leistung von 1.300 W über zwei gegenüber stehende Wellenleiter 112, die von der Reaktionskammer 103 durch für Mikrowellen durchlässige Keramikfenster 113 abgedichtet waren, bestrahlt. Nach mehreren Minuten Bestrahlung, wobei die Schlacke/-Aktivkohle-Füllung und die Gase innerhalb der Reaktionskammer erhitzt wurden, löste eine zufällige thermische Instabilität („Thermal Runaway") in ganz verschiedenen, dielektrisch angeordneten Partikeln die Erzeugung von einem CO/N₂-Plasma in und oberhalb des Schmelztiegels 101 innerhalb der Reaktionskammer 103 aus. Dieses Plasma konnte durch die abgeschirmte Beobachtungsöffnung 120 beobachtet werden.
Über die Interpretation von dem Plasmaumfang und der Intensität der Strahlungshitze durch den Bediener wurde die Mikrowellenbestrahlung von der Reaktionskammer 103 fortgeführt, wobei die angelegte Leistung manuell eingestellt wurde, um eine entsprechende thermische Konstanz bereitzustellen und ein Überhitzen und ein Versagen von dem Schmelztiegel 101 durch Schmelzen zu vermeiden. Aus der vorhergehenden Erfahrung und der Untersuchung und der Kenntnis von den Schmelzpunkten der vorliegenden Phasen und der thermochemischen Reaktionsdaten wurde abgeschätzt, dass der Prozess bei „Temperaturen" durchgeführt wurde, die dem Bereich von 900°C bis 950°C entsprechen. Wie vorangehend diskutiert, ist die Begrifflichkeit von Temperatur in einem dynamischen thermischen System wie einem Nichtgleichgewichts-Plasma relativ bedeutungslos und dementsprechend sind „Temperatur"-Messungen durch ein Thermoelement oder durch direkte pyrometrische Sichtstrahl verfahren („line-of-sight") nicht durchführbar und würden nahezu bedeutungslose Information bereitstellen.
Ungefähr eine bis zwei Minuten nach der Anregung des Plasmas wurde bereits ein metallischer Rauch, der von dem Plasma aufstieg, festgestellt, was auf die Reduktion von dem Zinkoxidgehalt der Schlacke hindeutet. Das feste und gasförmige Reduktionsstadium von dem Zinkoxid, unter Verwendung der Aktivkohle beziehungsweise von CO-Plasma als Reduktionsmittel, kann durch die nachfolgenden Gleichungen 2(a) und 2(b) wiedergegeben werden: ZnO + C ⇒ Zn + CO⇑ 2(a) ZnO + CO ⇒ Zn + CO₂⇑ 2(b)
Das CO in der Gleichung 2(b) kann in der ionisierten Form CO⁺ vorliegen.
Der metallische Rauch ist insbesondere visuell leicht nachzuweisen, wenn es gestattet wurde, dass er reoxidiert, wenn er die reduzierende Atmosphäre von dem Schmelztiegel 101 verlässt, nachdem er sich von der Schlacke durch die in den Gleichungen 2(a) und 2(b) beschriebenen Reduktionsprozesse abgetrennt hatte.
Um ein fein verteiltes Zinkoxid-(ZnO-)Pulver herzustellen, wurde eine Sauerstoffstrom (O₂) derart eingeführt, dass der reduzierte Zinkmetalldampf durch den O₂-Strom durchtritt, wobei er schnell zu einem Rauch aus einer festen Zinkoxidphase umgewandelt wird, welcher leicht aufgefangen werden konnte. Während bereits das Hindurchtreten des Zinkmetalldampfes durch das CO₂ innerhalb der Reaktionskammerumgebung als ein Reduktionsnebenprodukt nach Gleichung 3(b) ebenfalls die Wirkung der Oxidation des Zinkdampfes aufwies, ist diese Reaktion weniger spontan und resultierte in etwas Zinkrauch, der nicht umgewandelt als fester Zinkrauch zurückblieb. Um Zinkchlorid (ZnCl₂) herzustellen, kann Cl₂-Gas quer durch den heißen Zinkdampf eingeströmt werden. Das hergestellte Zinkchlorid musste deutlich abgekühlt werden, bevor ein festes Rauchprodukt durch Ausfällung an einer gekühlten Oberfläche aufgefangen werden konnte. Die Reoxidationsprozesse können durch die nachfolgenden Gleichungen 2(c) bis 2(e) wiedergegeben werden: 2Zn + O₂ ⇒ 2ZnO ⇑ 2(c) Zn + CO₂ ⇒ ZnO + CO₂ ⇑ 2(d) Zn + Cl₂ ⇒ ZnCl₂ ⇑ 2(e)
Das Rauchprodukt, abhängig von der Systematmosphäre in der Form von metallischem Zink, Zinkoxid oder einem Zinkhalid, wurde durch einen für Mikrowellen durchlässigen Borsilikat-Dunstabzug 116, der über dem Schmelztiegel 101 platziert war, mittels eines Absauggebläses über ein vakuumdichtes Auslaufventil zu einem Ausfällungs- und Absacksystem abgesaugt, wo der Rauch als festes Feinerz aufgefangen wurde.
Sobald das Rauchen auf eine visuell nicht mehr wahrnehmbare Menge abgeklungen war, wurde der Prozess als für beendet erachtet und die Bestrahlung eingestellt. Die Vollständigkeit des Prozesses wurde später durch die Analyse von dem Schlackenmaterial, das im Schmelztiegel zurückblieb, bestätigt.
Unmittelbar nachdem die Bestrahlung eingestellt worden war, war die Füllung von dem Schmelztiegel noch reaktiv und für einen längeren Zeitraum bei einer hohen Temperatur und das Einströmen von dem reduzierenden CO/N₂-Gasgemisch wurde fortgesetzt, bis sich die Füllung auf etwa 200°C abgekühlt hatte. Ein weitergehendes Einströmen von Stickstoff wurde anschließend verwendet, um das System auf Umgebungstemperatur abzukühlen.
BEISPIEL 3
Dieses Beispiel beschreibt ausführlich einen Prozess zum Reduzieren von Chromit-(FeO·Cr₂O₃)Erzkonzentrat unter Verwendung eines Schmelztiegel-Batch-Reduktionsprozesses, der in einer Chrom-Eisen-Legierung resultiert. Die Vorrichtung, die für die Ausführung von dem Prozess in diesem Beispiel verwendet wurde, ist in 4 dargestellt.
Der Prozess wurde bei Atmosphärendruck durchgeführt, der sich für dieses Beispiel als angemessen bewährt hatte. Ferner wurde, anstatt die Reaktionskammer mit einer Gasmischung aus Stickstoff und Kohlenmonoxid wie in Beispiel 2 zu befüllen, Luft (hauptsächlich aus N₂, O₂ zusammengesetzt) als das anfängliche Gas in der Reaktionskammer verwendet. Die Verbrennung von Kohle durch Erhitzen und die Mikrolichtbogenbildung von der Kohle in der sauerstoffreichen Umgebung für die CO Herstellung waren ausreichend, das Reaktionsprodukt vor der Reoxidation zu schützen. Ferner bedeckt geschmolzene Schlacke die reduzierten metallischen Produktstadien, um weiteren Schutz in diesem Beispiel zu gewähren, was die einfachere und ökonomischere Bearbeitungsvariante mit einer Luftumgebung bei Atmosphärendruck ermöglichte.
Ein Chromiterz-Konzentrat von hoher Qualität wurde in einer Ringmühle mit einem Reduktionsmittel in der Form von brauner Aktivkohle in stöchiometrischer Menge zu einer Korngröße von weniger als 200 Mikrometer vermahlen. Das Gemisch wurde lose in einen geeigneten, für Mikrowellen durchlässigen Schmelztiegel aus Oxidkeramik 201 oben auf ein Bett aus gekörnter Aktivkohle eingefüllt, um die flüssigen Metallprodukte unterhalb der Ausgangstoffe zu vereinen. Eine weitere Schicht aus gekörnter Aktivkohle wurde über die Füllung aus Chromit/Aktivkohle-Gemisch gelegt, um den Schutz vor der Reoxidation zu unterstützen. Wie in den Beispielen 1 und 2 wurde der Schmelztiegel 201 mit einer aus Alumi niumoxidsilikat-Faservlies bestehenden Isolierhülle 202 und einer Isolierhaube 202a isoliert, um eingeschränkte Beobachtungen durch die Beobachtungsöffnung 220 zu ermöglichen und den gasförmigen Reaktionsprodukten ein Entweichen zu gestatten.
Der isolierte Schmelztiegel 201 wurde in die Reaktionskammer 203, in der Form von einem modifizierten handelsüblich erhältlichen Mikrowellenofen, auf einen Keramikblock 204 gestellt, die mit Luft bei Atmosphärendruck „angereichert" war. Es wurde kein Ausspülen oder Evakuieren durchgeführt.
Die Reaktionskammer 203 wurde anschließend mit 2.450 MHz Mikrowellenstrahlung bei voller Ofenleistung von 1.300 W über oben und auf der Seite angebrachte Wellenleiter 212 bestrahlt. Die Reaktionsfüllung in dem Schmelztiegel 201 heizte sich aufgrund der Mikrolichtbogenbildung zwischen den Kohlepartikeln und dann zwischen den dielektrisch unterschiedlichen Partikeln in dem Füllungsgemisch schnell auf, was zur Entstehung von einigen chemischen Reaktionen mit niedrigem Aktivierungsenergiebedarf führte. Die Freisetzung von Energie aus diesen anfänglich exothermen Reaktionen stellte weitere thermische Energie zum Aufheizen und Aktivieren der Reduktionsreaktionen bereit.
Die anfängliche Mikrolichtbogenbildung von der Aktivkohle in dem angewendeten Mikrowellenfeld in der Sauerstoff-haltigen Luftumgebung erzeugte gemäß der nachfolgenden Gleichung 3(a) CO, was einen Schutz gegen die Reoxidation der nachfolgenden Reaktionsprodukte bereitstellte. 2C + O₂ ⇒ 2CO ⇑ 3(a)
Wenn die Temperatur in der Füllung der Ausgangsstoffe sich erhöhte, mit massiven Abweichungen in lokalen Temperaturen um ein willkürliches Temperaturprofil herum, wurde ein Nichtgleichgewichts-Stickstoff plasma in der hauptsächlich Stickstoff-enthaltenden (Luft-)Atmosphäre von der Reaktionskammer 203 erzeugt, wobei nachfolgend das Erhitzen in der Füllung der Ausgangsstoffe durchgehend gleichmäßiger wird. Mit den höchsten Temperaturen, die sich in und oberhalb der Füllung der Ausgangsstoffe innerhalb des Schmelztiegels etablierten, wurde das Plasma innerhalb der oberen Schichten von der Füllung der Ausgangsstoffe (durch die Plasmapenetration von der statischen Füllung) und unmittelbar oberhalb der Füllung der Ausgangsstoffe innerhalb des Schmelztiegels 201, unterhalb der Isolierhaube 202a, konzentriert. Die Strahlung, und das Plasma, dringen mit steigender Durchlässigkeit von der Füllung tiefer in die statische Schmelztiegelfüllung ein.
Die durch das Stickstoffplasma, unter der Verwendung der Aktivkohle als direktes anfängliches Reduktionsmittel, stimulierte Aktivierung von der Festphasenreduktion des Chromits erzeugt Kohlenmonoxid (CO) als ein Nebenprodukt der Festphasenreduktion, was ionisiert und somit zu der Plasmachemie beiträgt. Die Reaktionen produzieren ein metallisches Chromprodukt, die eine Wustit-(FeO) reiche Phase zurücklassen, welche in einer zweiten Stufe reduziert wird. Dieses Ergebnis kann durch die größere Mikrowellen-Empfindlichkeit von Cr₂O₃ gegenüber FeO (sich in einem Mikrowellenfeld aufzuheizen) erklärt werden. Die anfängliche Festkörperreduktion von dem Chromit kann durch die nachstehende Gleichung 3(b) wiedergegeben werden: FeO·Cr₂O₃ + 3C ⇒ 2Cr + FeO + 3CO ⇑ 3(b)
Das entsprechend den Gleichungen 3(a) und 3(b) erzeugte CO ist thermodynamisch unterhalb von annähernd 950°C nicht stabil, wenn es in einer sauerstoffhaltigen Umgebung ist, wie sie beispielsweise in dem vorliegenden Beispiel vorhanden ist, und neigt beim Abkühlen dazu, mit dem Sauerstoff, der in der Luftatmosphäre vorhanden ist, zu Kohlendioxid (CO₂) gemäß der nachstehenden Gleichung 3(c) zu oxidieren: 2CO + O₂ ⇒ 2CO₂ ⇑ 3(c)
Mit steigender Temperatur ist jedoch bei den im Plasma herrschenden „Temperaturen" der umgekehrte Fall im Allgemeinen richtig, wobei freie Sauerstoff- und Kohlendioxidgas-Moleküle in der Atmosphäre von der Reaktionskammer 203 unmittelbar oberhalb von der Füllung der Ausgangsstoffe existieren, wodurch sie thermochemisch gegenüber einer Umwandlung (mit Aktivkohle) zu Kohlenmonoxid gemäß den nachstehenden Gleichungen 3(d) und 3(e) prädisponiert sind: O₂ + 2C ⇒ 2CO ⇑ 3(d) CO₂ + C ⇒ 2CO ⇑ 3(e)
Das durch diese Reaktionen hergestellte CO ionisiert selbst in der durch die Mikrowellen stimulierten Umgebung, um das vorherrschende Stickstoffplasma mit hochenergetischen, reduzierenden CO⁺-Ionen anzureichern. In der Reaktionskammerumgebung ist das Plasma, welches die Füllung der Ausgangsstoffe bei den höheren reduzierenden „Temperaturen" umhüllt, entsprechend hauptsächlich aus N₂- und CO-Spezies zusammengesetzt. Das Plasma schützt die Füllung vor möglichen Oxidationsreaktionen bis zu den Endpunkten des Plasmas, wobei eine Decke aus hochenergetischen reduzierenden Ionen über der Füllung aufrechterhalten wird, was ein außerordentlich reduzierendes Milieu bereitstellt. Ein derartiger Schutz wird durch die Beschaffenheit des Plasmas und insbesondere durch Nichtgleichgewichts-Plasmen bereitgestellt, deren „chemischer Schwerpunkt" es ist, Bindungen in einer Art und Weise analog zu den chemischen Reduktionsreaktionen zu brechen (das heißt, im Gegensatz zu chemischen Oxidationsreaktionen, wo Bindungen vervollständigt werden).
Die Veränderung in der Plasmachemie mit der Erzeugung von CO⁺-Ionen konnte zusehends als eine Verschiebung in der charakteristischen Emissionsfarbe von dem Plasma beobachtet werden und hörbar festgestellt werden durch eine verbundene Verschiebung in der Leistung, die an den Magnetfeldröhren gezogen wurde, wenn eine Plasmaanregung oder Schrittsteigerung vorliegt.
Das in den Grund-, Anregungs-, Ionisierungs- und Rekombinationszuständen verfügbare CO wird zu einem wirkungsvollen Reduktionsmittel, welches den Kohlenstoff zu der Reaktionsgrenzfläche mit den Chromit-Partikeln transportiert, was eine gasförmige Phasenreduktion von dem Chromit aktiviert. In diesem Stadium erhöhen sich die Reduktionsgeschwindigkeiten auf ein Maximum. Die Ionisierung von dem CO und die ionisierte Gasphasenreduktion von dem Chromit kann durch die nachfolgenden Gleichungen 3(f) und 3(g) wiedergegeben werden: CO ⇒ CO⁺ + e^- 3(f) FeO·Cr₂O₃ + 3CO⁺ + 3e^– ⇒ 2Cr + FeO + 3CO₂ ⇑ 3(g)
Wie vorangehend diskutiert, tendiert das produzierte CO₂ bei den höheren Plasma-„Temperaturen", die in diesem Stadium beobachtet werden, zu CO (gemäß Gleichung 3(e)). Die nachfolgende Fest- und Gasphasenreduktion von dem Wustit-(FeO)Produkt analog zu den Gleichungen 3(b) und 3(g) zu metallischem Eisen kann durch die nachstehenden Gleichungen 3(h) und 3(i) wiedergegeben werden: FeO + C ⇒ Fe + CO ⇑ 3(h) FeO + CO⁺ + e^– ⇒ Fe + CO₂ ⇑ 3(i)
Wenn es erwünscht ist, können andere anfängliche Reduktionsmittelgase (typischerweise CO) vor dem Ent leeren in die Reaktionskammer 203 über den Hauptgaseinlass 211 eingeführt werden, um die verschiedenen Reduktionsprozesse zu unterstützen. Dies wird eine reduzierende Gasumgebung in der Reaktionskammer eher von Anfang an bereitstellen, als dass man, wie vorangehend diskutiert, auf die Umwandlung von dem O₂ aus der Luft zu CO abhängig ist.
Die heißen Gase, einschließlich der Reaktionsnebenprodukte CO und CO₂, zuzüglich geringfügiger Gase oder Spurengase, Staub und Rauch wurden während des Prozesses über einen Dunstabzug 216 abgezogen, der mit einer Abgas-Lüftungsanlage verbunden ist.
Während des Reduktionsprozesses floss das metallische Reduktionsprodukt, das in dem flüssigen Stadium als flüssige Metallkügelchen vorliegt, und wenn die einzelnen Kügelchen in der Größe zunahmen und die Oberflächenspannung überwunden war, als flüssige metallische Phase zu dem Boden von dem Schmelztiegel 201, wobei ein Pool 230 unterhalb einer Schlackenschicht 231 aus Gangartprodukten gebildet wurde, der sich selbst unterhalb des noch reagierenden Bettes der Füllung der Ausgangsstoffe 232 bildete, bis die abnehmenden Feststoffe von dem Bett 232 der Füllung der Ausgangsstoffe in die flüssige Schlackenphase 231 hineinschmolzen. Zu diesem Zeitpunkt wurde die Mikrowellenbestrahlung eingestellt und der Prozess beendet.
Die Reaktionskammer 203 wurde dann zusammen mit dem Metall-Reaktionsprodukt abkühlen lassen und die Verfestigung der Schlackephasen ermöglichte eine mechanische Rückgewinnung. Das passive, langsame Abkühlen unterhalb der glimmenden Aktivkohle (um Schutz vor Oxidation zu gewähren) produzierte eine „graue" Eisenlegierung, während hingegen der alternative Kühlungsprozess der Abkühlung in Wasser eine „weiße" Eisenlegierung produzierte.
Um die Oxidation von den metallischen Produkten während des Abkühlens zu vermeiden, wenn die Temperatur innerhalb des Schmelztiegels unterhalb von dem CO-Stabilitätspunkt von annähernd 950°C fällt, bei dem das CO zu dem oxidierenden Gas CO₂ oxidieren würde, kann ein nicht-oxidierendes oder Inertgas in die Reaktionskammer durch den Hauptgaseinlass 209 während des Abkühlens eingelassen werden. Spektroskopische Analysen und eine metallografische Untersuchung von den metallischen Reaktionsprodukten identifizierte eine Chrom-Eisen-Legierung mit einer typischen Zusammensetzung von ungefähr 65% an Cr (und bis zu 76% an Cr in kleineren Eisenkügelchen), weniger als 4% an C und die Differenz im Wesentlichen Fe. Die C-Aufnahme steigerte sich mit längerer Zeitdauer bei erhöhten Temperaturen. Die gesamte Mineralmaterie wurde entweder zu Metall oder Schlacke umgewandelt, wobei nur Aktivkohlereste oberhalb der Schlackenphase zurückblieben.
BEISPIEL 4
Dieses Beispiel beschreibt ausführlich einen Prozess zur Reduktion von Cassiterit-(Zinnstein; SnO₂)Konzentrat zur Extraktion von metallischem Zinn als Produkt. Anstatt den Reduktionsprozess in einem festen Schmelztiegel innerhalb eines statischen Gefäßes oder eines modifizierten Mikrowellenofens wie in den Beispielen 1 bis 3 durchzuführen, wurde in diesem Beispiel der Reduktionsprozess in einem Wirbelschicht-Reaktor unter Verwendung eines Kohlenmonoxid/Stickstoff-Plasmas durchgeführt. Die Konfiguration des Wirbelschicht-Reaktors ist in den 5(a) bis 5(d) bildlich dargestellt. Der Plasmareduktionsprozess kann ebenfalls in anderen etablierten und Hybridreaktionskammer-Konfigurationen unter Verwendung derselben zugrunde liegenden Prozesschemie durchgeführt werden, einschließlich Drehofen-, Zyklon-, Fördertrum-, Schrauben- und Rinnen-Konfigurationen.
Der Prozess wurde bei „Atmosphären"-Druck hoch in dem Bett bis zu höheren Drücken unter Pressluftähnlichen Bedingungen an der Verwirbelungsplatte (zwischen 200 kPa und 300 kPa) durchgeführt, wo die anfängliche Reduktionsaufarbeitung über eine angelegte Mikrowellenenergie, welche durch den Wellenleiter des Reaktorbodens zugeführt wird, durchgeführt werden kann. Der Druckabfall durch die Wirbelschicht wird durch die Verwirbelungsdynamik von der Reaktionskammer und verschiedenen Parametern von dem Bett abhängt, das selbst verwirbelt wird, einschließlich der Betthöhe, der Partikeldichte, der Partikelform und dem Größenbereich. Ein Nichtgleichgewichts-Plasma wurde entlang der vollständigen Höhe von der Reaktionskammersäule mittels der Unterstützung von zusätzlichen Wellenleitern längs der Länge von der Reaktionskammer gehalten, wobei deren Anwendung von der Mineraliendichte, der Empfänglichkeit der Füllung für die Mikrowellenbestrahlung und der angelegten Leistung abhängen wird. Mit dem Druckabfall durch die Wirbelschicht wurde das Nichtgleichgewichts-Plasma stabiler in Richtung der Spitze von der Reaktionskammer.
Das augenblickliche Beispiel führte die Reduktionsaufarbeitung von einem Cassiterit-Konzentrat "niedriger Qualität" durch, das ungefähr 60% Sn enthielt. Bei Anwendung von traditionellen Reduktionstechniken für Sn waren, bei Verwendung von Flammofen-Schmelztiegeln, Qualitäten unterhalb von 65% Sn nicht erwünscht, da es ökonomisch nicht durchführbar ist, Zinnprodukte zu prozessieren, die ein Verhältnis von dem „Härtling" (Eisen/Zinn-Phase) zu dem zurückgewonnenen Zinn aufweisen, das zu hoch ist. Wenn das Eisen leicht reduziert wird, und das Zinn die Eisen/Zinn-Härtlingphase erstellt, oder das Eisen in dem Anfänglichen Konzentrat hoch ist, sind die traditionellen Reduktionstechniken normalerweise aufgrund der überzogenen Kosten für das Extrahieren von dem Zinn aus der Eisen/Zinn-Härtlingphase kaufmännisch unhaltbar.
Die Leichtigkeit der Reduktion von den Cassiterit-Konzentraten erhöht sich mit steigendem Zinngehalt von den Konzentraten mit niedriger Qualität zu den Konzentraten mit hoher Qualität, wobei für die Konzentrate mit höherer Qualität gefunden wurde, dass sie empfänglicher sind für Mikrowellenbestrahlung als die Konzentrate mit niedrigerer Qualität.
Die Wirbelschichtreaktoren sind normalerweise so konstruiert, dass sie fortlaufende Bearbeitungsprozesse durchführen, der vorliegende Prozess wurde jedoch in einem Wirbelschichtreaktor durchgeführt, der als Batch-Prozessreaktor konfiguriert und betrieben wurde, um eine engere Kontrolle über die Prozessierungszeiten von dem Cassiterit innerhalb der Reaktionskammer zu ermöglichen. Eine derartige enge Kontrolle ist erwünscht, wenn Cassiterit bearbeitet wird, um eine zu aufwendige Bearbeitung von der Cassiterit-Füllung zu vermeiden, was nachteilig für spätere Bearbeitungsschritte wäre. Wenn jedoch eine geringere Kontrolle für die Reduktionsbelastung durch die angewandte elektromagnetische Bestrahlung benötigt wird, wird der kontinuierliche Wirbelschichtprozess bevorzugt.
Wenn der Plasmaprozess von dem gegenwärtigen Beispiel entweder in Batch- oder kontinuierlichen Wirbelschichtsystemen verwendet wird, wird die gleichzeitige Reduktion von Gangartmaterialien innerhalb des Erzes, insbesondere bei eisenhaltigen Mineralien, vermieden. Dies vermeidet infolgedessen die Bildung von kontaminierenden Phasen (insbesondere von Härtling, FeSn₂) innerhalb des Reduktionsproduktes und der daran hängenden restriktiven Kostennachteile des Reprozessierens derartiger Nebenprodukte in nachfolgenden Prozessen.
Der Wirbelschichtreaktor 300 in den 5(a) bis 5(d), der in dem vorliegenden Bearbeitungsprozess verwendet wurde, umfasst eine gestreckte Reaktions kammer 301, die aus einer hochtemperaturfesten, korrosionsbeständigen Stahllegierung hergestellt ist. Die Reaktionskammer 301 wird mit einer geeigneten feuerbeständigen Isolierhülle 302 isoliert, um die Hitze innerhalb der Reaktionskammer zu halten. Ein Luftspalt kann zwischen der äußeren Wand von der Reaktionskammer 301 und der Isolierhülle 302 geformt werden, um Vibrationen abzublocken und für die Ausdehnung Raum zu bieten.
Eine Zuführungsöffnung 303 für das Einfüllen der Ausgangsstoffe wird oben auf der Reaktionskammer 301 zum Beschicken der Reaktionskammer 301 mit der partikelförmigen Füllung der Ausgangsstoffe bereitgestellt. Unter Bezugnahme auf 5(b) ist eine ausklappbare, selbstdichtende Füllglocke 304 innerhalb der Zuführungsöffnung 303 für das Einfüllen der Ausgangsstoffe eingerichtet. Die Füllglocke 304 ist drehbar und mit spiralförmigen Leitschaufeln 305 ausgestattet, welche bei der Verteilung der Füllung innerhalb der Reaktionskammer 301 mitwirken. Andere Formen an Vorrichtungen für das Beschicken von Reaktionskammern wie beispielsweise eine Drehschurre, können wahlweise eingesetzt werden.
Eine durchlöcherte Verwirbelungsplatte 306 ist am Boden von der Reaktionskammer 301 lokalisiert. Ein Wirbelluftkasten 307 ist darunter angebracht und öffnet sich auf die Verwirbelungsplatte 306. Der Wirbelluftkasten 307 steht mit einem Gasregenerationssystem in Verbindung (nachfolgend beschrieben und in 5(c) abgebildet), dass das Gas aufwärts in Richtung des Wirbelluftkastens 307 zuführt. Die Zusammensetzung und der Druck von dem Druckgas, das dem Wirbelluftkasten 307 zugeführt wird, werden durch ein Überwachungssystem 308 kontrolliert.
Ein Abgasauslass 309 ist benachbart zu der Zuführungsöffnung 303 für die Füllung oben auf der Reaktionskammer 301 lokalisiert. Der Abgasauslass 309 speist ein Rauch/Feststoff-Produktextraktionssystem (nicht dargestellt), um den Rauch und die festen Feinanteile der Produkte von den Abgasen zu trennen. Dieses System führt anschließend die gekühlten entrauchten Gase in die Kammer 310 von dem Gas-Regenerationssystem (siehe 5(c)) über einen Recyclingauslass 311 zurück. Die Kammer 310 besitzt ferner einen Frischgaseinlass 312 zur Einleitung von Gasen von außerhalb des Regenerationssystems und ein Druckablassventil und -Ausgang 313 für das Entweichen von Gasen unter übermäßigem Druck.
Ein Ablaufblech 314 steht mit der Reaktionskammer 301 unmittelbar oberhalb der Verwirbelungsplatte 306 zum Ausspeisen der Batchprozess-Füllungen nach Beendigung der Bearbeitung von jedem Batch in Verbindung. Das Ablaufblech 314 ist während der Bearbeitung geschlossen und steht mit einer Löschkammer 315 zum Kühlen/Löschen von abgeleitetem Material in Verbindung.
Decken- und Bodenwellenleiter 316, 318 sind oben an der Reaktionskammer 301 benachbart zu der Zuführungsöffnung 303 für die Füllung, beziehungsweise am Boden von der Reaktionskammer in der Nachbarschaft der Verwirbelungsplatte 306 lokalisiert. Der obere Wellenleiter 316 ist so positioniert, dass er den oberen Bereich von der Reaktionskammer bestrahlt, wo die Abzugsgase vorhanden sein werden, die durch die Reaktionen in der Reaktionskammer gebildet wurden. Der untere Wellenleiter 318 ist so positioniert, dass er den Bodenbereich von der Reaktionskammer oberhalb der Verwirbelungsplatte 306 bestrahlt. Es ist dies der Bereich, wo der Druck in der Reaktionskammer am höchsten sein wird. Weitere zusätzliche Wellenleiter 317 sind an der Peripherie von der Reaktionskammer 301 lokalisiert, verteilt zwischen der Decke und dem Boden und um die Umfangslänge herum (siehe 5(d)). Die Anzahl, die Bestrahlungsfrequenz und die Anordnung von den Wellenleitern sind von der spezifischen Anwendung abhängig und insbesondere wird sie von der Konfiguration der Reaktionskammer und den Eigenschaften der zu bearbeitenden Füllung abhängen. Eine Mikrowellenstrahlung bei 2.450 MHz und eine variable Gesamtleistung von bis zu 100 W pro Ausgang wurden in dem vorliegenden Beispiel verwendet. Die allgemeine Lage und Orientierung von den zusätzlichen Wellenleitern 317, die in 5(d) bildlich dargestellt sind, wird für mehrfache Wellenleiter, die entlang der Reaktionskammer 301 positioniert sind, bevorzugt. Anstelle des Zuführens der Strahlung unter Verwendung von Wellenleitern könnten Koaxialkabel oder irgendwelche anderen geeigneten Zuführungsmittel eingesetzt werden.
In dem Prozess von dem vorliegenden Beispiel wurde zuerst das Cassiterit-Konzentrat in partikulärer Form mit einer Korngröße von weniger als 500 Mikrometer und in Chargen mit nahe beieinander liegenden Größenbereichen (+/– 5% im Korndurchmesser) hergestellt, welche anschließend zum Beschicken der Reaktionskammer 301 auf 200°C vorgeheizt wurden.
Vorgewärmte Luft wurde dann über den Luftkasten 307 durch die Verwirbelungsplatte 306 in die geschlossene Reaktionskammer 301 eingeleitet und durch den Abgasauslass 309 wieder hinaus. Sobald die Reaktionskammer ordnungsgemäß annähernd 250°C erreicht hatte, wurde die vorgewärmte Druckluft durch eine N₂/CO-Mischung (bei einem N₂:CO-Verhältnis von annähernd 4:1) ersetzt, die auf ungefähr 300°C vorgewärmt war, eingeleitet in das System über den Frischgaseinlass 312 von dem Gasregenerationssystem. Das CO-Gas wurde hinzugefügt, um das ionisierende Reduktionsmittel für die Reduktion von dem Cassiterit zu bilden.
Während die Reaktionskammer 301 mit der N₂/CO-Mischung ausgespült wurde, wurde das vorgewärmte Cassi terit-Konzentrat in die Reaktionskammer 301 durch die Zuführungsöffnung 303 der Füllung eingefüllt, bis eine komplette Füllung erreicht wurde und dafür zu sorgen, dass während der Befüllung der Gebläsedruck von der N₂/CO-Mischung derart angepasst wurde, dass das hereinkommende Füllmaterial nicht die Verwirbelungsplatte passierte und dass das feine Füllmaterial mit den Abgasen nicht aus der Reaktionskammer geblasen wurde. Während der Befüllung wurde die Füllglocke 304 so eingestellt, dass sie die Füllung der Ausgangsstoffe reguliert und verteilt und in Kombination mit der Regulation von dem N₂/CO-Gebläsedruck, durch die Verwirbelungsplatte aufwärts in die Reaktionskammer 301 leitet, wodurch die Verwirbelung von der Füllung erstellt und gehalten wurde, wobei die feine Füllung in einer verwirbelten Suspension oder einer "Wirbelschicht" 320 gehalten wurde. Diese Wirbelschicht aus den Ausgangsstoffpartikeln maximiert die Reaktionsgrenzflächen zwischen der Cassiterit-Füllung und dem gasförmigen CO-Reduktionsmittel.
Dieses Verwirbelungsregime wurde derart etabliert, dass die Wirbelschicht ausreichend stabil war und dielektrisch inkohärent, um eine Durchdringung der Mikrowellenbestrahlung von den verschiedenen Wellenleitern 316, 317, 318 zu ermöglichen.
Um ein derartiges Verwirbelungsregime, welches stabil ist und die Durchdringung von der Strahlung ermöglicht, zu etablieren und zu halten, sollte der verwirbelnde Gasstrom durch die Verwirbelungsplatte 306 an der Bettbasis mit einem derartigen Druck einstrahlen, dass das Gas, während es das Bett der Füllung der Ausgangsstoffe nach oben trägt und verwirbelt, in die Richtung der Zone mit niedrigerem Druck bei der Fülllinie des Bettes (oberste Fläche von dem Bett in Richtung des Deckels von der Reaktionskammer) gezwungen wird, wo der Prozessdruck so niedrig wie oder so nahe wie möglich bei dem Atmosphärendruck sein sollte (in der Abwesenheit von einem Vakuum-Evakuierungssystem), um dadurch den benötigten Verwirbelungsdruck zu minimieren. Der Druckanfall zwischen der Verwirbelungsplatte 306 und der Fülllinie (welcher auf ein Minimum gebracht werden sollte) wird durch die Verwirbelungsdynamik von dem Bett und insbesondere von der Partikelgröße, der Dichte, dem Größenbereich, der Bettdurchlässigkeit und -Viskositäten und durch die Höhe von dem Bett bestimmt. Der Verwirbelungsdruck an der Verwirbelungsplatte 306 wird durch das Bereitstellen des gewünschten Verwirbelungsregimes bestimmt, während der oberste Druck an und oberhalb der Füllungslinie des Bettes auf ein Minimum gebracht wird. Dieser Druck an der Verwirbelungsplatte 306 wird durch den Druck geregelt, der in dem Luftkasten 307 gehalten wird. Der Druck im Luftkasten muss dem Verwirbelungsdruck zuzüglich des Druckabfalls über der Verwirbelungsplatte 306 entsprechen und er wurde durch das Gasregenerationssystem 310 und das Rückführungskontrollsystem 308 überwacht und geregelt.
Der Prozessdruckbereich, von dem der Verwirbelungsdruck an der Verwirbelungsplatte der höchste sein wird, sollte unterhalb von 300 kPa gehalten werden, um das Plasma innerhalb des thermodynamischen Nichtgleichgewichts-Regimes zu halten, womit die Prozessierungsvorteile der außerordentlich energiereichen reaktiven Partikel maximiert wird, insbesondere von solchen Partikeln, welche eine unmittelbare Funktion in der Plasmareduktionschemie einnehmen.
Die Reaktionskammer wurde anschließend mit der Mikrowellenstrahlung bei einer Frequenz von 2.450 MHz über die Wellenleiter bestrahlt und die Leistung angepasst, bis ein stabiles Nichtgleichgewichtsplasma aus Stickstoff/Kohlenmonoxid bis zur vollständigen Befüllungshöhe mit vorherrschend reaktiven CO⁺-Ionen gebildet wurde. Für die gebräuchliche Mikrowellenfrequenz von 2.450 MHz, welche für dieses und andere beschriebene Beispiele verwendet wurde, ist gefunden worden, dass sie außerordentlich für diese Anwendungen geeignet ist und wurde daher hauptsächlich der Einfachheit halber verwendet. Von anderen Frequenzen innerhalb des Bereiches von 30 MHz bis 300 GHz, ist für Radiofrequenzen, obgleich sie Mikrowellen sind und Frequenzen in der „Millimeter-Wellenlänge" aufweisen, jedoch gefunden worden, dass sie verschieden gut für die Erzeugung von Nichtgleichgewichtsplasmen geeignet sind, ausgetestet an einem ausgekoppelten Bereich von Empfänglichkeiten für Zielmineralien.
Das verwirbelte Cassiterit wurde durch das gasförmige CO in den verschiedenen Zuständen (Grundzustand, angeregt und ionisiert) unter Bildung von Sn und CO₂ reduziert. Die Reduktion in der Plasmaphase kann durch die nachstehende Gleichung 4(a) wo * ein/eine nicht im Grundzustand befindliche(s) rekombinierte(s) Partikel oder Spezies darstellt) wiedergegeben werden: SnO₂ + 2CO⁺ + 2e ⇒ Sn + 2CO₂* 4(a)
Sobald die Plasmachemie stabilisiert war, wurde feiner Kohlenstoff durch den Frischgaseinlass 312 eingespritzt, um sich mit dem verwirbelnden Druckgas (N₂/CO) derart zu vermischen, dass das CO durch das während der Reduktion von Cassiterit in der gasförmigen Phase erzeugte CO₂ regeneriert wurde, wodurch eine fortlaufende Einspeisung von CO⁺-Ionen für die andauernde Reduktion von dem Cassiterit sichergestellt wurde. Diese Reaktion, die als Boudouard-Reaktion bekannt ist, wird durch die nachstehende Gleichung 4(b) wiedergegeben: C + CO₂* ⇒ 2CO 4(b)
Die Boudouard-Reaktion ist endotherm und dementsprechend sollte sie nur eingesetzt werden, wenn die „Temperatur"-Mäßigung angemessen ist. Diese Reaktion wird ebenfalls nur wirksam bei Temperaturen oberhalb von etwa 940°C ablaufen. Wo, als Ergebnis aus dem oben gesagten, die Boudouard-Reaktion nicht vertretbar ist, kann CH₄ sowohl als Reduktionsmittel (sowohl unmittelbar als Methan oder indirekt bei Temperaturen oberhalb derer Methan zu Kohlenstoff und Wasserstoff zerfällt), zur Reduktion von dem Cassiteriterz als auch zur Regeneration von CO für weitere Reduktionen verwendet werden. Alternativ kann CH₄ sowohl für die Regeneration von CO durch Reduktion von CO₂ während des Prozesses als auch als teilweiser oder vollständiger Ersatz von CO in die anfängliche Eingangsgas-Mischung als anfängliches Reduktionsmittel für die Reduktion von dem Cassiterit verwendet werden. Während CH₄ selbst nicht ionisiert, eine Dissoziation (Zerfall) bei Temperaturen unterhalb von 500°C in dem Mikrowellenfeld, bevor es seine Ionisierungsenergie erreicht, bildet das dabei entstehende Wasserstoffgas ein Plasma, wie es das anfängliche Reduktionsprodukt CO, sobald es produziert wird, auch macht, und wirkt dabei als ein Reduktionsmittel für die nachfolgende Reduktion in der Plasmaphase. Ferner wird ein feiner Kohlenstoffruß als Nebenprodukt von dem Methanzerfall gebildet, welcher für die Regeneration von CO ideal ist. Demzufolge wird, selbst wenn CO nicht als anfängliches Eingangsgas verwendet wird, es bald als ein Reduktionsnebenprodukt gebildet und/oder durch die Boudouard-Reaktion, wobei CO₂ bei hohen Temperaturen abgebaut wird. Die Zugabe von Methan zu dem verwirbelnden Gas kann ebenfalls verwendet werden, die Zugabe von festen Kohlenstoffanteilen zu dem verwirbelnden Gas zu ersetzen, um, wie oben diskutiert, die CO-regenerierende Boudouard-Reaktion 4(b) zu ermöglichen.
Bei den niedrigeren Energie- oder „Temperatur"-Bereichen der Nichtgleichgewichtsplasmen, ist Wasserstoff ein weniger wirkungsvolles Reduktionsmittel als Kohlenstoff oder Kohlenmonoxid. Weiter entnimmt die Boudouard-Reaktion, welche endotherm ist, Energie aus dem System, wenn sie CO liefert. Dementsprechend ist es, wenn CH₄ als anfängliches Eingangsgas ausgewählt wird, eine niedrigere thermodynamische Energievariante unter deren niedrigeren Energiebedingungen die "Spurenelemente", wie beispielsweise Fe, Mn, W und Si, welche möglicherweise in der Füllung der Ausgangsstoffe aus Erz enthalten sind, eine geringere Wahrscheinlichkeit aufweisen, mit der gleichen Leichtigkeit wie Cassiterit reduziert zu werden, was ein reineres Reduktionsprodukt liefert.
Darüber hinaus führt die Verwendung von CH₄ ein weiteres Gas in das System ein, was in einer komplexeren Mischung der Abzugsgase resultiert, die eine Bearbeitung und Trennung benötigen. Die chemischen Reaktionen, die mit der Einführung von CH₄ verbunden sind, können durch die nachstehenden Gleichungen 4(c) bis 4(g), zuzüglich der Boudouard-Gleichung 4(b), wiedergegeben werden: CH₄ ⇒ C + 2H₂ 4(c) SnO₂ + 2C ⇒ Sn + 2CO 4(d) SnO₂ + 2CO ⇒ Sn + 2CO₂ 4(e) 2H₂ ⇒ 4H⁺ + 4e^- 4(f) SnO₂ + 4H⁺ + 4e^- ⇒ Sn + 2H₂O 4(g)
Zusätzliche chemische Reaktionen, die bezüglich der Komponenten der Gasmischung in der Atmosphäre der Reaktionskammer (mit dem Zusatz von Methan) von Bedeutung sind, können durch die Gleichungen 4(h) und 4(i) wiedergegeben werden: 2CO + CH₄ ⇒ 2C + 2H₂O 4(h) N₂ + CO₂ + 2CH₄ ⇒ 2C + 2NH₃ + CO + H₂O 4(i)
Diese Reaktionen sind ebenfalls für die Regula tion der Abzugsgase, der Minimierung von negativen Umwelteinflüssen und der Rückgewinnung von Prozess-Nebenprodukten als wertvolle Materialen von Bedeutung. Diese Reaktionen finden in der Reaktionskammer statt und können, wenn es gewünscht wird, in einer Intensivkammer von dem Abgasauslass 309 vollständig beendet werden. Da die Stöchiometrie bewahrt wird, sind die Gleichungen 4(h) und 4(i) hier in der Form des Grundzustandes der Einfachheit halber verallgemeinert worden. Kohlenmonoxid und Stickstoff werden ionisiert werden, während hingegen (wenn nicht alles schon dissoziiert ist) Methan zu Ruß und Wasserstoff zerfällt, die ionisieren werden. Es sind ebenfalls andere Reaktionen und Ergebnisse möglich, aber weniger stabil, und von daher unwahrscheinlich.
Während des Aufarbeitens werden Abzugsgase durch den Abgasauslass 309 abgesaugt. Das Abgas kann, wenn es in einen Zyklon abgesaugt wird, um es zu trennen und enthaltende feste Feinanteile aus den heißen Abzugsgasen zu entfernen, die für die Gaswäsche oder das Recycling (Regenerierung) gebunden werden.
Die Reduktion von dem Cassiterit produziert Zinn (wie in Gleichung 4(a) angedeutet) in der Form von flüssigen Mikrokügelchen, welch sich innerhalb der Cassiterit-Partikel und an der Partikeloberfläche bilden, wo sie durch die innewohnende hohe Oberflächenspannung von dem flüssigen Zinn zuzüglich eines Films aus Material mit höherem Schmelzpunkt, das durch Refusionierung oder als Nebenprodukt der Reduktion von Gangartmineralien entstanden ist, festgehalten werden.
Bei einem Bearbeitungspunkt, der über die Erfahrung und einen analysierten Mittelwert von den angesammelten Daten (Ladung vs. Zeit vs. eingesetzte Energie) unter Bezug auf den Grad der Reduktion von allen vorherigen Prozess-Chargen bestimmt ist, wird die Mikrowellenbestrahlung von der Reaktionskammer 301 beendet. Die partikelförmige Materie von dem noch flüssigen Bett wird anschließend auf etwa 200°C in einem nicht-oxidierenden Druckgas (in diesem Beispiel wurde Stickstoff verwendet) abgekühlt, um das Zinn zu verfestigen. Die festen Bestandteile von dem Bett wurden danach aus der Reaktionskammer 301 durch das Ablaufblech 314 in die Löschkammer 315 für die weitere sauerstofffreie Löschung (wenn benötigt) abgelassen.
Der metallische Zinngehalt kann anschließend aus den gelöschten Festanteilen durch einen geeigneten elektrochemischen oder anderen Rückgewinnungsprozess erhalten werden. Nach der Rückgewinnung von dem hochreinen Zinn, kann zurückgebliebenes, unvollständig reduziertes Cassiterit oder anderes partikuläres Mineralienmaterial getrocknet und zur Wiederbearbeitung durch den Wirbelschichtreaktor in eine nachfolgende Füllungsmischung zurückgegeben werden. Irgendwelche anderen Feinanteile, die von dem Zinn-Rückgewinnungsprozess verbleiben, können weiteren Extraktionsprozessen unterworfen werden, um jeden verbliebenen hochwertigen Metallbestandteil (oder toxischen Bestandteil, der Abtrennung und Entsorgung benötigt), der Metalle wie Au, Ag, Th, Seltene Erdmetalle (RE's), Ta, W oder Bi einschließt, zu extrahieren.
BEISPIEL 5
In der extraktiven Reduktion von vergleichbaren Metallsulfiden von der Form MS₂, kann das „erste" Schwefelatom durch Reduktion mit relativer Leichtigkeit entfernt werden, um die Rohsteinform MS zu ergeben. Typischerweise werden, in einem zweiten Reduktionsschritt, intensivere pyrometallurgische Prozesse zur Entfernung von dem verbliebenen Schwefel benötigt, um das primäre Metall herzustellen.
Dieses Beispiel beschreibt ausführlich einen Prozess zur Reduktion von einem Molybdänit-(MoS₂-) Erzkonzentrat in festem Zustand, der einen rohen Molybdän-Metallschwamm ergibt – offensichtlich „gesintert" durch Phasen mit niedrigerem Schmelzpunkt (Gangart- und Verunreinigungsmetalle). Die Reduktion zum Metall wurde in einem kontinuierlichen Einstufen-Prozess erreicht, in dem die Pneumatik von einem Wirbelschichtreaktor mit Pfropfströmung verwendet wurde, um die zur Anwendung gebrachte elektromagnetische Energie abzumildern und auszugleichen und Reaktionen mit einer einheitlichen Verteilung der Energie durch die absteigende Säule des Füllmaterials gleichförmig zu stimulieren. Die Vorrichtung, die für die Ausführung von dem Prozess verwendet wurde, ist in 6 dargestellt.
Der verwendete Wirbelschichtreaktor mit Pfropfströmung 400 wurde für das kontinuierliche Bearbeiten konfiguriert. In einem derartigen Reaktor ist das Druckgas von einem Druckkasten 407 in die Reaktionskammer 401 durch einen perforierten Verwirbelungsring 406 gerichtet, die den Platz von der Verwirbelungsplatte aus Beispiel 3 einnimmt. Im Gegensatz zu dem für den Batchbetrieb konfigurierten Reaktor 300 in Beispiel 3, wird das Füllmaterial des Ausgangsstoffes mit Unterbrechungen oder kontinuierlich über die Füllglocke 404 (oder einem Äquivalent zur Drehschurre) eingespeist und durch das aufsteigende Druckgas verwirbelt, wobei die absteigende Wirbelschicht die Mechanik von der Pfropfströmung befolgt. Die Feststoffe der Pfropfströmung werden vollständig durch die Reaktionen von dem Prozess umgesetzt, bevor sie aus der Reaktionskammer 401 durch den offen Ablauftrichter 414 in dem Zentrum von dem Verwirbelungsring 406 in eine Löschkammer 415 durchgeleitet wird. Das Füllmaterial der Ausgangsstoffe wird kontinuierlich in die Reaktionskammer 401 eingespeist und die Feststoffe der Reaktionsprodukte kontinuierlich, ohne den Reaktor abzuschalten, entfernt.
In dem vorliegenden Beispiel wurde das Molybdänit-Erzkonzentrat in einer partikulären Form mit einer Korngröße von weniger als 200 Mikrometer her gestellt und mit einem festen Reduktionsmittel in der Form von granulierter Aktivkohle in einem Größenbereich von 100 bis 1200 Mikrometer mit dem stöchiometrischen Verhältnis von 2:1 C:S vermischt. Die Auswahl von der granulierten Aktivkohle in diesem höheren Größenbereich zwangsweise eingeführt, um eine bessere Durchlässigkeit von dem Bett angesichts der plattenartigen Morphologie von Molybdänit bereitzustellen. Die Füllung mit dem Molybdänit/Aktivkohl-Gemisch wurde anschließend als Vorbereitung für das Beschicken von der Reaktionskammer 401 auf annähernd 300°C vorgewärmt.
Zu Beginn von dem kontinuierlichen Prozess wurde vorgewärmte Luft durch die Reaktionskammer 401 über den Luftkasten 407 und den Verwirbelungsring 406 ordnungsgemäß in die Reaktionskammer 401 eingespült und durch den Abgasauslass 409 hinaus. Sobald die Temperatur in der Reaktionskammer annähernd 300°C erreicht hatte, wurde die vorgewärmte Druckluft durch ein Gemisch aus 10% CO in Luft ersetzt, das vorher auf annähernd 300°C vorgewärmt war, und nach dem Prozessstart auf 600°C bei einer Geschwindigkeit von 10°C pro Minute erhöht wurde.
Während die Reaktionskammer mit der CO/Luft-Mischung bei einem niedrigen Gebläsedruck derart gespült wurde, dass die festen Feinanteile nicht mitgerissen und mit den Abzugsgasen abgesaugt wurden, wurde die vorgewärmte Füllung von dem Molybdänit/Aktivkohl-Gemisch in die Reaktionskammer 401 (mit der berechneten Geschwindigkeit von der Einspeisung für den kontinuierlichen Prozess) über die Zuführungsöffnung 403 zum Einfüllen der Ausgangsstoffe und der Füllglocke 404 eingespeist. Eine anfängliche Füllung der Ausgangsstoffe bildete einen vorübergehenden Ablauftrichterpfropfen in dem Ablauftrichter 414 zwischen dem geschlossenen Ablauf-Kontrollventil 419 und der ersten Füllung an Material oberhalb von dem Verwirbelungsring 406, welcher der vollständigen Bearbeitung unterworfen war, sobald eine kontinuierliche Pfropfströmung ausgelöst worden war. Sobald eine kontinuierliche Pfropfströmung ausgelöst worden war, wurde das Ablauf-Kontrollventil 419 geöffnet. Das erste herauskommende nicht prozessierte und ungenügend prozessierte Material wurde aus dem Löschkammersystem entfernt und zum Mischen mit frischem Vermischungsmaterial zurückgegeben. Während die Säule in der Reaktionskammer ihre vollständige Füllung erreichte und während dem Anlaufstadium, wurde die neue Wirbelschicht überwacht, um so das Pfropfströmungs-Regime zu etablieren und zu erhalten, was die vollständige metallurgische Umwandlung (nach Analyse) versus der mittleren Verweilzeit (in der Reaktionskammer) optimierte. Das Wirbelschicht-Regime wurde mit einer ausreichenden Stabilität der Wirbelschicht und einer dielektrischen Inkohärenz etabliert, um so die Durchdringung der Mikrowellenstrahlung von den verschiedenen Wellenleitern 416, 417, 418, die oben, an den Seiten und am Boden von der Reaktionskammer 401 in einer ähnlichen Art und Weise wie in Beispiel 3 angebracht waren, zu ermöglichen.
Der Druck oben in der Reaktionskammer (Druck oberhalb der Fülllinie des Bettes) sollte so nahe wie möglich bei einer Atmosphäre liegen (angesichts des Druckabfalls durch das Bett von den Druck am Boden, der benötigt wird, das Verwirbelungs-Regime zu halten), was es ermöglicht, dass der Verwirbelungsdruck am Boden von der Reaktionskammer unterhalb von dem bevorzugten Limit von 300 kPa gehalten werden kann.
Obgleich kurze elektromagnetische Wellenlängenfrequenzen in Bereichen oberhalb von 12 GHz hätten bevorzugt werden können, als Ergebnis der erhöhten Empfindlichkeit von Molybdänit bei diesen Frequenzen, angezeigt durch Ergebnisse der Analyse der Mineralien-Empfindlichkeit vs. Bestrahlungsfrequenz, wurde die Bestrahlung bei der gebräuchlichen Frequenz von 2.450 MHz aus Gründen der Verfügbarkeit und der Einfachheit verwendet (und als für diesen Zweck angemessen gefunden). Sobald die Füllung in der Reaktionskammer 401 sich nahe der Gebläsetemperatur von annähernd 600°C stabilisiert hatte, wurde die Reaktionskammer mit Mikrowellenstrahlung über die verschiedenen Wellenleiter 416, 417, 418 bestrahlt. Die angewandte Leistung wurde angepasst, bis sich ein stabiles Plasma mit vorwiegend reaktiven CO⁺-Ionen in dem Stickstoffplasma gebildet hatte. Die CO⁺-Ionen wurden im Anschluss an die Umwandlung von O₂ und CO₂ in der Gegenwart von Aktivkohle gebildet, wenn die Temperatur in der Reaktionskammer über 950°C ansteigt, wie in den früheren Beispielen diskutiert, wobei die „Temperatur" der Reaktionskammer zu der idealen Plasmareduktions-"Temperatur" von 1.050°C bis 1.100°C ansteigt (wie durch ein abgeschirmtes Thermoelement gemessen).
Während die exakte Reduktionsroute, die erreicht wird, nicht einfach ist, hatte die Zugabe von kleinen Mengen an Calciumoxid (CaO) zu der Füllungsmischung der Ausgangsstoffe oder von getrockneten Pellets aus pelletisierter Molybdänit/Calciumoxid/braune Aktivkohle-Paste mit engem Größenbereich, hier 1,5 mm ± 0,1 mm bis 3,0 mm ± 0,2 mm, welche ideal für die Bettdurchlässigkeit und die Reduktionschemie mit gesteigerten Kinetiken waren, eine fördernde Wirkung auf die Reaktionskinetiken und die Vollständigkeit der Reaktion.
Herausragende Reduktionsreaktionen, von denen verstanden wird, dass sie während der Bearbeitung vorkommen sind (ohne Ionisationsäquivalente) in den Gleichungen 5(a) bis 5(d) wiedergegeben: Die Gleichung 5(a) gibt die anfängliche Ablösung von dem ersten Schwefelatom aus MoS₂ wieder und die nachfolgende Reduktion zu dem elementaren Molybdän wird durch die Gleichung 5(b) wiedergegeben: MoS₂ + O₂ ⇒ MoS + SO₂ 5(a) 2MoS + C ⇒ Mo + CS₂ 5(b) CS₂ + 2O₂ ⇒ C + 2SO₂ 5(c)
Die Gleichungen 5(d) und 5(e) geben die alternative Route wieder, wenn Calciumoxid hinzugefügt worden ist: MoS2 + 2CaO ⇒ MoO2 + 2CaS 5(d) MoO2 + 2C ⇒ Mo + 2CO 5(e)
Sobald sich die Plasmachemie stabilisiert hat, kann feiner Kohlenstoff mit dem verwirbelnden Gasgemisch derart eingespeist werden, dass, wo es benötigt wird, CO sich aus O₂ und CO₂ (erzeugt während der Reduktion) mit dem Kohlenstoff hoch in der Reaktionskammer regeneriert, um den Schutz von einer reduzierenden Atmosphäre in einer ähnlichen Art und Weise wie in Beispiel 4 zu gewähren. Wie in Bezug zu Beispiel 4 diskutiert, ist die CO₂-Reduktion, die Boudouard-Reaktion, endotherm und das Gleichgewicht der Reaktionen in dem Reaktor kann derart manipuliert werden, dass "Temperatur"-Profile des Reaktors gehalten werden können, wie es der Fall in dem früheren Beispiel war.
Ebenfalls kann in einer ähnlichen Art und Weise wie in Beispiel 4, CH₄ sowohl zum Regenerieren von CO als auch zum Bereitstellen von einem extra Kontrollmechanismus (zusätzlich zu der Kontrolle von der angewandten elektromagnetischen Strahlung) durch Ausgleichen der chemischen Energie, die durch die exothermen Reaktionen freigesetzt wurde, und derjenigen, die durch endotherme Reaktionen innerhalb der Reaktionskammer absorbiert wurde, eingeführt werden. Die verschiedenen Reaktionen, die aus der Zugabe von CH₄ resultieren, sind diejenigen von den Gleichungen 4(c), 4(b), 4(f), 4(h) und 4(i), die im Bezug zu Beispiel 4 diskutiert wurden. Es sollte beachtet werden, dass, während der Wasserstoff seine Wirksamkeit als Reduktionsmittel bei den höheren Prozesstemperaturen von dem vorliegenden Prozess steigert, verdrängt es Kohlenmonoxid in seiner Reduktionswirksamkeit nicht in den Hintergrund, wenn nicht vie höhere Temperaturen (oberhalb von 2.000°C) erreicht werden. Darüber hinaus wird die Dissoziation von Methan bei der Bereitstellung von aktivem Wasserstoff in der Produktion von Schwefelwasserstoff-(H₂S-)Gas resultieren, was normalerweise eine weniger wünschenswerte Abgasoption ist. Die zusätzlichen Reduktionsreaktionen, die aus der Erzeugung von Wasserstoffionen durch die Zugabe von Methan resultieren, können durch die Gleichungen 5(f) und 5(g) wiedergegeben werden: MoS₂ + 2H⁺ ⇒ MoS + H₂S 5(f) MoS + 2H⁺ ⇒ Mo + H₂S 5(g)
An dem Boden von der Reaktionskammer 401 wurde das lose, flüssige oder partikelförmige Feststoffprodukt von dem absteigenden Bett durch den Ablauftrichter 414 abgelassen. Die Geschwindigkeit der Abnahme in dem Bett wurde durch die Geschwindigkeit des Ablaufens von prozessiertem festen Material durch den Ablauftrichter 414 kontrolliert, welcher durch die Einstellung von dem Ablauf-Kontrollventil 419 gesteuert wird. Die Verweilzeit in der Reaktionskammer ist durch die Geschwindigkeit der Abnahme der Pfropfströmung (von Füllungselementen) bestimmt, welche (ungehinderte partikuläre Fluidität vorausgesetzt) durch die Ablaufgeschwindigkeit kontrolliert ist, welche wiederum durch die Einstellung des Ablauf-Kontrollventils reguliert wird. Die Verweilzeit wird durch die Parameter der thermochemischen Bearbeitung (wie beispielsweise chemische Verfügbarkeit, Kontakt- und Reaktionsgrenzflächen-Diffusion, chemische Spezies, verfügbare Energie und benötigte Energie) und die physikalischen und chemischen Kinetiken bestimmt, welche die Gesamt geschwindigkeit der chemischen Umwandlung festsetzen, demzufolge auch die Zeit, die für die chemische Umwandlung benötigt wird. Die Zeit, welche für die chemische Umwandlung benötigt wird, sollte idealerweise geringfügig niedriger oder gleich zu der vorgesehenen Verweilzeit von dem Ausgangsmaterial in der Reaktionskammer sein.
Das abgelassene Material trat in die Löschkammer 415 ein, wo es während des Abkühlens leichtflüssig gehalten wurde, um die Zusammenballung der Partikel zu minimieren und das „Sintern" der Hauptmasse zu verhindern. Das partikelförmige Festprodukt ist in einer Form, die leicht gelenkt und gehandhabt werden kann und kann für die weitere Veredelungsbearbeitung, wie beispielsweise eine Lichtbogen- oder Ionenstrahlschmelze, zu einem Zonenveredelungsprozess gesendet werden.
Da das Produkt kontinuierlich aus der Wirbelschicht-Reaktionskammer (Säule) 401 abgelassen wurde, wurde frisches Material der Füllungsmischung fortlaufend auf die Fülllinie von der Wirbelschicht in einer gleichmäßigen Art und Weise derart aufgefüllt, dass die Höhe der Fülllinie konstant blieb.
BEISPIEL 6
Dieses Beispiel beschreibt ausführlich einen Prozess zur Reduktion von Hämatit (Fe₂O₃) unter Verwendung von einem Fördergerät, um das Füllungsmaterial der Ausgangsstoffe durch eine Reaktionskammer bei Atmosphärendruck in einem kontinuierlichen Prozess hindurchzuleiten. Die Vorrichtung, als kontinuierlich förderergespeister Reaktor bezeichnet, die für die Ausführung von dem Prozess verwendet wurde, ist in 7 dargestellt.
Feines Hämatit wurde mit einem Reduktionsmittel in der Form von feiner brauner Aktivkohle vermischt und die Mischung unter Verwendung einer braunen Aktivkohleaufschlämmung in eine Paste eingebunden, was in einem Fe:C-Verhältnis von ungefähr 2:3 resultierte. Die Paste wurde zu Pellets von annähernd 3 mm Durchmesser agglomeriert und diese getrocknet, bis sie hart waren.
Die getrockneten Pellets 501 wurden anschließend gleichmäßig über ein Sinterband-artiges Fördergerät 502 verteilt, das derart konfiguriert war, dass es den Druckgasen ermöglichte, durch es hindurchzuströmen.
Die Pellets 501 auf dem Fördergerät 502 wurden anschließend durch die Reaktionskammer 503 von dem kontinuierlich förderergespeisten Reaktor befördert. Die Reaktionskammer 503 ist mit einem Einlassdrossel-Bereich 503a mit beschränktem Querschnitt, einem offenen Hauptkammerbereich 503b und einem Auslassdrossel-Bereich 503c mit beschränktem Querschnitt konfiguriert.
Die getrockneten Pellets 501 wurden zuerst mit Mikrowellenstrahlung über einen Vorwellenleiter 504 in dem Einlassdrossel-Bereich 503a bei einer Frequenz von annähernd 915 MHz bestrahlt, womit eine vorübergehende Erwärmung der Pellets bereitgestellt wurde. Diese vorläufige Erwärmung kann die Hämatit/Aktivkohle-Ausgangsstoffe auf über 500°C bringen, in der Nähe von einer Temperatur, die in der Lage ist, die anfänglichen Reduktionsreaktionen auszulösen. Indem die Pellets von dem Bereich der Einlassdrossel 503a in Richtung des offenen Hauptbereiches 503b von der Reaktionskammer 503 transportiert werden, werden sie mit Mikrowellenstrahlung von den zentralen Wellenleitern 505 bei einer Frequenz von 2.450 MHz bestrahlt. In diesem zentralen Bereich wird ein heißer Luftstrom (bei ungefähr 800°C) auf die pelletisierte Ausgangsstofffüllung aus einem Gebläseeinlass 506 vermittelt, der unmittelbar unterhalb von dem Fördergerät 502 in dem Zentrum von dem Hauptkammerbereich 503b positioniert ist. Der heiße Sauerstoff von der Luft, der durch den Kohlenstoff von den (nun rot glühenden) heißen Ausgangsstoffen von der Fördergerätfüllung (bei Temperaturen von bis zu 1.000°C) hindurchströmt, wandelt schnell den Kohlenstoff in Kohlenmonoxid um. Ein N₂/CO-Plasma wird unmittelbar über der Füllung in dem Bereich von dem Gebläseeinlass 506 aufrecht gehalten, wo es außerordentlich energiereiche reaktive Spezies in der primären Reduktionszone bereitstellt.
Die Reduktion von Hämatit zu elementarem Eisen findet durch eine Serie von Reduktionsreaktionen statt, die durch die nachstehenden Gleichungen 6(a) bis 6(g) (ohne Ionisations-Äquivalente), dem allgemeinen Systemdruck und der allgemeinen Systemtemperatur und unter Bezug auf die lokale Ionisierungsumgebung von der Plasmazone, dem Reaktionsweg, der von der für die Aktivierung verfügbaren Energie abhängig ist, und dem Reaktionsmechanismus, ob Festphasen- oder Gasphasen-Reaktion, wiedergegeben werden kann: 1,5Fe₂O₃ + 0,5C ⇒ Fe₃O₄ + 0,5CO 6(a) Fe₃O₄ + C ⇒ 3FeO + CO 6(b) FeO + C ⇒ Fe + CO 6(c) 1,5Fe₂O₃ + 0,5CO ⇒ Fe₃O₄ + 0,5CO₂ 6(d) Fe₃O₄ + CO ⇒ 3FeO + CO₂ 6(e) FeO + CO ⇒ Fe + CO₂ 6(f) CO₂ + C ⇒ 2CO 6(g)
Die Abzugsgase, die von den Reaktionen produziert werden, werden durch den Abgasauslass 507 abgesaugt und zur Hitzerückgewinnung oder der Regeneration des Luftstromes behandelt.
Das CO-Plasma wird von der Position her in dem Zentrum von der Reaktionskammer als Ergebnis der Lokalisation von dem heißen Luftstromeinlass 506 und der Positionierung der Hauptwellenleiter 505 der Mikrowellenbestrahlung aufrecht gehalten. Das schwammartige, feste reduzierte Eisen wird einer Abkühlung unterworfen, wenn es sich von der Plasmazone in Richtung auf den Auslassdrossel-Bereich 503c bewegt. Wenn das Eisen unter 950°C abkühlt, kann Stickstoff in die Atmosphäre von dem Auslassdrossel-Bereich 503c eingeleitet werden, um das Fördergerät 502 abzuschirmen und das reduzierte Eisen vor der Reoxidation zu schützen, welche durch freies O₂ oder CO innerhalb der Abkühlungskammerumgebung resultieren könnte, die bei diesem niedrigen Temperaturverlauf zu CO₂ umgewandelt werden, wobei das CO₂ hier Stabilität aufweist.
BEISPIEL 7
Dieses Beispiel beschreibt ausführlich einen weiteren Prozess zur Reduktion von Hämatit zu Eisen unter Anwendung einer Drehofen-Vorrichtung, wobei dieselbe grundlegende Präparation und Chemie wie in Beispiel 6 verwendet wurde. Die Vorrichtung, die für die Ausführung von dem Prozess verwendet wurde, ist in 8 dargestellt.
Hämatit/Kohlenstoff-Pellets 601, die gemäß Beispiel 6 hergestellt wurden, wurden in eine Drehofen-Reaktionskammer 603 über eine Zuführungsöffnung 602 der Ausgangsstofffüllung eingespeist. Die Reaktionskammer 603 wurde über den Gaseinlass 606 mit einer Gasmischung aus 10% CO in N₂ bei niedriger Geschwindigkeit beladen, wobei der Druck innerhalb der Reaktionskammer bei ungefähr 1 Atmosphäre aufrecht gehalten wurde.
Die 28-Liter Reaktionskammer 603 wurde mit Mikrowellenstrahlung bei einer Leistung von annähernd 1.000 Watt und einer Frequenz von 2.450 MHz über einen Wellenleiter 605 bestrahlt, der in einem feststehenden Ende von dem Ofen positioniert war, wodurch ein CO/N₂-Plasma durchgehend in dem zentralen (16 bis 20 Liter) Kernvolumen (nicht durch die sich drehende Füllung noch durch die schraubenförmigen Rippen 609 besetzt) von der sich drehenden Reaktionskammer 603 erzeugt wurde.
Die Mikrowellenstrahlung wurde abgemildert, um ein Schmelzen von der Füllung der Ausgangsstoffe zu verhindern, nachgewiesen und überwacht durch die Inspektion von dem Reduktionsprodukt-Ablauf, welcher aus der Reaktionskammer 603 über den Ablaufauslass 608 gezogen wurde. Es wurden sowohl die Produkte der festen als auch der gasförmigen Phase von dem Reaktionsprodukt aus dem Ablaufauslass 608 gezogen.
BEISPIEL 8
Dieses Beispiel beschreibt ausführlich einen Prozess zur Reduktion von Hämatit (Fe₂O₃) zu einem Eisen-(Fe)Produkt mit niedrigem Kohlenstoffanteil unter Anwendung einer im Wesentlichen auf der Technik der so genannten Festphasen-Reduktion der Aufnahme im Flug („solid state reduction technique of in-flight entrainment") von feinem partikelförmigen Füllmaterial in einen Zyklonreaktor. Die Vorrichtung, die für die Ausführung von dem Prozess in diesem Beispiel verwendet wurde, ist in den 9(a) bis 9(c) dargestellt.
Zuerst wurde Hämatit in einer partikelförmigen Form durch Mahlen zu einer Korngröße von weniger als 20 Mikrometer hergestellt und innig mit feiner brauner Aktivkohle gemischt, die auf eine Korngröße von weniger als 100 Mikrometer gemahlen war.
Die Ausgangsstoffmischung aus Hämatit/Aktivkohle wurde anschließend mit einem Gebläseluftstrom, der auf über 400°C vorgewärmt war, durch einen Zykloneinlass 701, der an der Spitze von der Zyklon-Reaktionskammer 702 lokalisiert war, eingeblasen. Der Einlass 701 ist tangential zu dem zylinderförmigen oberen Wandbereich von der Reaktionskammer 702 derart angeordnet, dass die Einlass-Gebläseluft und das eingeblasene Füllmaterial der Ausgangsstoffe einem spiralförmigen Weg nach unten durch die Reaktionskammer 702 folgt.
Die Gebläseluft und die eingeblasene Füllung der Ausgangsstoffe wurden mit Mikrowellenstrahlung bei einer Frequenz von 2.450 MHz über einen Hauptwellenleiter 703 bestrahlt, der so angeordnet war, dass er die Luft und der Ausgangsstofffüllung bestrahlt, wenn sie entlang von dem Einlass 701 vor dem ordnungsgemäßen Eintritt in die Reaktionskammer 702 durchkommen. Die Leistung von der angewandten Mikrowellenstrahlung wurde reguliert, um die Temperatur von dem Gebläseluftstrom auf 1.000°C anzuheben, um damit sicherzustellen, dass freier Sauerstoff in den Druckgasen mit der feinen Aktivkohle von der eingeblasenen Füllungsmischung das O₂ über Kohlendioxid (CO₂) zu Kohlenmonoxid (CO) umwandelt. Der Druckbereich von dem Prozess wurde derart unterhalb des bevorzugten Druckmaximums von 300 kPa gehalten, dass das N₂/CO-Plasma, das sich über die Öffnung hinaus und in der Zyklon-Reaktionskammer gebildet hatte, in dem oberen Bereich der Nichtgleichgewichtsbedingungen war, wobei die Luft auf eine entsprechende Temperatur angehoben wurde, um sicherzustellen, dass in der Gebläseluft verbliebener freie Sauerstoff (O₂) und verbliebenes Kohlendioxid (CO₂) mit der feinen Aktivkohle von der Mischung der Ausgangsstofffüllung reagiert, um diese zu Kohlenmonoxid (CO) umzuwandeln.
Die Ausgangsstofffüllung und die Luft wurden ferner bei weiteren Hauptmikrowellenleitern 704 an der Spitze von der Reaktionskammer 702 bestrahlt, die rund um die Umfangslänge von der Reaktionskammer 702 positioniert waren, wie in 9(b) angezeigt.
Während die Frequenz von 2.450 MHz, die in dem vorliegenden Beispiel verwendet wurde, sich als wirksam und effizient in dem vorliegenen Beispiel erwies, wurde für Frequenzen oberhalb von 12 GHz gefunden, dass sie für diese spezifische Anwendung vorzuziehen sind.
In dem Milieu des Nichtgleichgewichts-N₂/CO-Plasmas in Richtung zur Spitze von der Reaktionskammer wurde das Hämatit zu Magnetit, Fe₃O₄, unter Verwendung der außerordentlich energiereichen reaktiven CO⁺-Ionen für die hauptsächliche Reduktionsstimulation reduziert. Das Magnetit wurde nachfolgend zu der thermodynamisch stabilsten Eisenoxid-Phase, Wustit, FeO, reduziert, welche anschließend zu metallischem Eisen reduziert wurde. Jegliche Bildung einer flüssigen Phase durch exotherme Reaktionen wurde durch die „In-Flight" Kühlungsdynamik innerhalb der Reaktionskammer vermieden. Das reduzierte Produkt besaß eher das Erscheinungsbild einer Festphasenreduktion als das einer Rückverfestigung von einer reduzierten flüssigen Phase. Jeder Tendenz zur CO₂-Erzeugung während der Abfolge der Reduktion wurde durch Boudouard-Vergasung zwischen verbliebenem eingeblasenen Kohlenstoff und CO₂ entgegengewirkt, um CO (wie nach Gleichung 6(g)) in de Reaktionskammer 702 zu regenerieren.
Dieser CO-Regenerationsprozess wurde durch die Zugabe von weiterem feinen, freien Kohlenstoff über den Zykloneinlass 701 unterstützt. Das von dem CO₂ produzierte CO kann für die weitere Reduktion in den verschiedenen Stadien von der Hämatit-Reduktion zu Eisen verwendet werden, und stellt ebenfalls einen Schutz gegen die Oxidation von dem Produkt aus elementarem Eisen bereit.
Die Reaktionen zur Erzeugung und zur Regeneration von CO sind endotherm und dementsprechend wurde weitere externe Energie benötigt, um die Temperatur innerhalb der Reaktionskammer aufrecht zu halten. Diese Energie wurde durch zusätzliche Mikrowellen-Leiter 705 geliefert, die rund um die Umfangslänge von der Reaktionskammer 702 in regelmäßigen Abständen positioniert waren. Ein typisches, in regelmäßigen Abständen um die Umfangslänge herum, angeordnetes Muster der zusätzlichen Wellenleiter 705 ist bildlich in 9(c) dargestellt. Die zusätzlichen Wellenleiter 705 stellten ebenfalls die Energie bereit, die für den letzten Reduktionsschritt von dem FeO zu metallischem Eisen benötigt wird, welcher beträchtlich mehr Energie benötigte, als die anfänglichen Reduktionsstadien.
Die reduzierten Eisenpartikel kühlten ab, wenn der spiralartige Weg durch den unteren konisch zulaufenden Bereich, unterhalb von der Wirkung von den verschiedenen Wellenleitern, der Reaktionskammer 702 hindurchkam, und als Ergebnis von der Masse der Eisenpartikel, die aus dem mitgerissenen Strom freigemacht wurden und in eine Sammelkammer 706 an dem Boden von der Reaktionskammer 702 fielen. Die Sammelkammer wurde mit CO ausgefüllt (oder wahlweise Inertgas), um das reduzierte Eisen vor der Oxidation zu schützen. Das feste Eisenprodukt, das von der Sammelkammer 706 erhalten wurde, war in der Form von Hartstahlpulver, welches einen relativ niedrigen Kohlenstoffanteil (0,3 Gew.-% bis 1 Gew.-%, verglichen zu Eisen) aufwies.
Die Abzugsgase von den verschiedenen Reaktionen wurden über den Abgasauslass 707, der in dem Zentrum von der Spitze der Reaktionskammer 702 positioniert war, abgesaugt und auf die entsprechenden Gasbearbeitungssysteme (Entstauben, Schruppen, Gasregeneration falls zutreffend) abgeleitet. Die Abzugsgase bestanden hauptsächlich aus N₂, CO und CO₂.
Der Fachmann wird die Art und Weise anerkennen, in der die verschiedenen Formen der Reaktion unter Verwendung des durch Bestrahlung stimulierten Plasmas der vorliegenden Erfindung angewendet werden können.
SCHLÜSSEL ZU DEN FIGUREN
1

EN:

CONVENTIONAL PLASMA

DE:

KONVENTIONELLES PLASMA

EN:

T_electrons

DE:

T_Elektronen

EN:

T_ions

DE:

T_Ionen

EN:

T_neutrals

DE:

T_{Neutralpartikel}

EN:

MICROWAVE STIMULATED PLASMA

DE:

MIKROWELLEN-STIMULIERTES PLASMA

EN:

PRESSURE (kPa)

DE:

DRUCK (kPa)

Claims

Verfahren zum Reduzieren eines metallhaltigen Erzes oder Konzentrats, das die folgenden Schritte beinhaltet: Vorbereiten des genannten Erzes oder Konzentrats in eine partikuläre Form; Beschicken einer Reaktionskammer mit dem genannten Erz oder Konzentrat, einem Reduktionsmittel und einem Eingangsgas; Bestrahlen der genannten Reaktionskammer mit elektromagnetischer Strahlung in einem Frequenzbereich von 30 MHz bis 300 GHz, bis ein Plasma im Nichtgleichgewichtszustand angeregt wird, und Halten und Regulieren des genannten Plasmas im Nichtgleichgewichtszustand mit der genannten Strahlung, bis das genannte Erz oder Konzentrat reduziert ist, um ein Reduktionsprodukt zu erzeugen; dadurch gekennzeichnet, dass: Druck in der genannten Reaktionskammer während der Bestrahlung über 40 kPa und unter 300 kPa gehalten wird; und das genannte Reduktionsmittel ein kohlenstoffhaltiges Material enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Druck etwa auf Atmosphärendruck gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Plasma in dem genannten Eingangsgas angeregt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil des genannten Eingangsgases während der genannten Strahlung zerfällt, wobei das genannte Plasma wenigstens teilweise in dem Zerfallsprodukt des genannten Eingangsgases angeregt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Reduktionsmittel ein mit dem genannten Erz oder Konzentrat gemischtes partikuläres kohlenstoffhaltiges Material enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Reduktionsmittel Kohlenmonoxidgas enthält, wobei das genannte Eingangsgas das genannte Kohlenmonoxidgas enthält, wobei das genannte Plasma wenigstens teilweise in dem genannten Kohlenmonoxidgas angeregt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Reduktionsmittel Kohlenmonoxidgas und ein partikuläres kohlenstoffhaltiges Material umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Reduktionsmittel ferner ein reaktives Metall umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Eingangsgas ein Inertgas enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Inertgas Argon oder Stickstoff umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Eingangsgas Luft umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Reduktionsmittel Methan enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Strahlung Mikrowellenstrahlung ist.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Erz oder Konzentrat ein direkt von abgebautem Erz abgeleites Konzentrat ist.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Erz oder Konzentrat ein nicht von Erz abgeleitetes Konzentrat ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Erz oder Konzentrat ein Konzentrat in Form eines von metallurgischen Bearbeitungsprozessen abgeleiteter Rückstand ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Reaktionskammer in Form eines Wirbelschichtreaktors ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Reaktionskammer in Form eines Ofens vorliegt, wobei das genannte Erz oder Konzentrat in einen in dem genannten Ofen platzierten Schmelztiegel geladen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Reaktionskammer in Form eines Drehofenreaktors vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Reaktionskammer in Form eines Zyklonreaktors vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Reaktionskammer in Form eines förderergespeisten Reaktors vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Erz oder Konzentrat zu einer pelletisierten partikulären Form vorbereitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Reduktionsprodukt von metallischer Form ist.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte metallische Reaktionsprodukt in Form von Dampf vorliegt, wobei der genannte Dampf aus der genannten Reaktionskammer abgezogen und von während der genannten Reduktion erzeugten Gasen abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Reduktionsprodukt eine Verbindung in einem reduzierten Oxidationszustand ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Reduktionsprodukt durch Reduktion des genannten Erzes oder Konzentrats durch eine Reihe von nachfolgenden Reduktionsreaktionen gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Verfahren den Schritt des Erzeugens von Kohlenmonoxid beinhaltet, wobei das genannte Plasma wenigstens teilweise in dem genannten Kohlenmonoxid angeregt und gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Eingangsgas Luft enthält, wobei das genannte Reduktionsmittel partikuläres kohlenstoffhaltiges Material enthält und das genannte Kohlenmonoxid durch Reaktion von Sauerstoff in der genannten Luft mit dem genannten partikulären kohlenstoffhaltigen Material erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass des genannte Reduktionsmittel partikuläres kohlenstoffhaltiges Material enthält und das genannte Kohlenmonoxid durch die Reaktion von während der genannten Reduktion erzeugtem Kohlendioxid mit dem genannten partikulären kohlenstoffhaltigen Material erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte partikuläre kohlenstoffhaltige Material in die genannte Reaktionskammer nach dem Anregen des genannten Plasmas eingeleitet wird, wobei des genannte Kohlenmonoxid durch die Reaktion von während der genannten Reduktion produzierten Kohlendioxids mit dem genannten eingeleiteten partikulären kohlenstoffhaltigen Material erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Eingangsgas Luft beinhaltet und partikuläres kohlenstoffhaltiges Material in die genannte Reaktionskammer nach dem Anregen des genannten Plasmas eingeleitet wird, wobei das genannte Kohlenmonoxid durch die Reaktion von Sauerstoff in der genannten Luft mit dem genannten eingeleiteten partikulären kohlenstoffhaltigen Material erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Erz oder Konzentrat während der genannten Reduktion und während des Kühlens des genannten Reduktionsprodukts nach der Bestrahlung der genannten Reaktionskammer von einer nichtoxidierenden oder Inertgasumgebung umhüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte nichtoxidierende oder Inertgas während des genannten Kühlens in die genannte Reaktionskammer eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Eingangsgas während des genannten Bestrahlungsschrittes durch das genannte Erz oder Konzentrat geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Eingangsgas aufwärts durch das genannte Erz oder Konzentrat geblasen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Eingangsgas vor dem Laden in die genannte Reaktionskammer vorerhitzt wird.