DE69030737T2

DE69030737T2 - Kondensation von metalldämpfen in einen wirbelbett

Info

Publication number: DE69030737T2
Application number: DE69030737T
Authority: DE
Inventors: Rodney Dry; Roger Player
Original assignee: Mount Isa Mines Ltd; Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Current assignee: Mount Isa Mines Ltd; Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Priority date: 1989-11-08
Filing date: 1990-11-07
Publication date: 1997-12-11
Anticipated expiration: 2010-11-08
Also published as: ES2103746T3; US5358548A; WO1991007225A1; EP0637992A1; DE69030737D1; EP0637992B1; IE904007A1; EP0637992A4

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft das Abfangen von Metalldämpfen aus einem Gasstrom, beispielsweise Zinkdampf aus dem Abgas eines Schmelzofens.

Hintergrund

Übliche Verfahren zur Extraktion von Zink aus Sulfiden beinhalten das Rösten des Konzentrats, um den Schwefel zu entfernen, gefolgt von der Reduktion, während derer ein Teil oder das gesamte Zink als Dampf entfernt wird. Das Zink wird dann aus dem Dampf mittels Kondensation rückgewonnen.
Ähnliche Verfahren werden zur Rückgewinnung von weiteren, relativ flüchtigen Metallen aus Sulfiden verwendet. Obwohl die Erfindung vorliegend in erster Linie mit Bezug auf die Rückgewinnung von Zink beschrieben wird, ist es verständlich, daß sie auf weitere Metalle, die Zinn, Blei, Magnesium, Cadmium, Mangan oder ähnliches einschließen, anwendbar ist, die mittels pyrometallurgischen Mitteln, die Durchblasen beinhalten, hergestellt werden können. Der Begriff "Dampf" wie er vorliegend verwendet wird, bezieht sich in erster Linie auf ein Gas oder einen Dampf, umfaßt aber ein Gas oder einen Dampf, mit mitgeführter Flüssigkeit und/oder Feststoffteilchen.
Zinkhochöfen verwenden beispielsweise im allgemeinen einen Bleieinspritzkondensator (beispielsweise einen solchen, der in GB-A-572961 beschrieben ist), um den Zinkdampf als Zinkflüssigkeit einzufangen und die Aktivität des kondensierten Produkts zu erniedrigen. Diese Näherung beinhaltet eine relativ hohe Kapitalinvestition und weist hohe Betriebskosten auf.
Ein weiteres Verfahren zum Abfangen von Metalldampf, das gegenwärtig in Verwendung ist, betrifft die Entfernung von Zink als Dampf aus einer Schlacke von Einrichtungen zur Herstellung von Blei mit nachfolgender Oxidation. In diesem Verfahren wird der Zinkdampf von der Oberfläche eines geschmolzenen Schlackenbades geblasen und kann aufwärts strömen, bis er einen Ort erreicht, der eindeutig frei von Turbulenz ist, die mit der Badoberfläche verbunden ist. An dieser Stelle wird ein Sauerstoff enthaltendes Gas, wie Luft, zugeführt und sowohl die Temperatur als auch das Sauerstoffpotential auf einen Punkt erhöht, wo der Zinkdampf schnell in Zinkoxid umgewandelt wird. Das Zinkoxid weist einen sehr viel niedrigeren Dampfdruck als Zinkmetall auf und schlägt sich folglich aus dem Gasstrom als ein feines Pulver nieder. Das Zinkoxid ist geeignet für weitere Reinigung durch elektrochemische Verfahren, aber muß zunächst in einer geeigneten Staubextraktionsvorrichtung abgefangen werden. Dieser sehr feine Staub ist schwierig zu handhaben und sein Abfangen erfordert wiederum hohe kapitalinvestition. Es wurde gefunden, daß es durch geeignete Einstellung der Temperatur und des Sauerstoffpotentials in einem Ofen möglich ist, eine kommerziell bedeutsame, direkte Trennung von Metall als Dampf aus Sulfid enthaltenden Materialien zu erreichen. Jedoch enthält in diesem Fall das Ofenabgas zusammen mit dem Metalldampf Schwefeldioxid und das Schwefeldioxid reagiert mit dem geschmolzenen Metall in dem Einspritzkondensator. Dementsprechend wurde bis jetzt angenommen, daß der Dampf vor der Rückgewinnung oxidiert werden müßte.
US-A-4508566 schlägt eine Lösung des vorstehend beschriebenen Problems vor, in der ein Kühlschritt, in dem das Gasgemisch auf eine Temperatur unterhalb des Kondensationspunktes für Zink durch Inkontaktbringen mit kaltem, aus Teilchen bestehendem Material gekühlt wird, bereitgestellt wird. Jedoch sind weder die Verwendung eines Fließbettes derartiger Teilchen noch die Vorteile, die in einer derartigen Verwendung gemäß der vorliegenden Erfindung gefunden wurden, beschrieben.

Die Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, verbesserte undloder kostengünstigere Mittel zur Rückgewinnung eines Metalls aus einem heißen Gasstrom, der das Metall als einen Dampf einschließt, und insbesondere zur Rückgewinnung des Metalls in akzeptabier Ausbeute bereitzustellen, wenn es Spezien in dem Gasstrom gibt, die mit dem Metall reagieren.
Die Erfindung erreicht diese Aufgabe durch Kondensation des Metalldampfes direkt aus dem heißen Abgas auf oder in der Nähe einer vergleichsweise kühlen Oberfläche von festen Teilchen in einem Fließbett.
Gemäß einem Aspekt besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Rückgewinnung eines Metalls aus einem Gasstrom, der das Metall als Dampf enthält, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:
(a) des direkten Inkontaktbringens des Stroms mit einem Fließbett von festen Teilchen, wobei das Bett eine Feststoffteilchenbeladung von größer als 10 kg/m³ aufweist,
(b) des Steuerns des Fließbetts derart, daß es einen Vorrat an Teilchen einschließt, die eine derartige kombinierte Masse, spezifische Wärme und Temperatur aufweisen, daß sie schnell in weniger als 1 Sekunde die Temperatur des Dampfes in Wärmeaustauschwechselbeziehung mit dem Bett unter die Kondensationstemperatur des Metalls verringern, wodurch der Metalldampf kondensiert, und
(c) des Steuerns des Sauerstoffpotentials des Stroms, der in Kontakt mit dem Bett gebracht wird, derart, daß die Rückgewinnung des Dampfs als Metall maximiert wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt besteht die Erfindung in einem Gerät zur Rückgewinnung eines Metalls aus einem heißen Gasstrom, der das Metall als Dampf enthält, wobei das Gerät umfaßt;
(a) Mittel zur Fluidisation eines Betts von festen Teilchen mit einer Teilchenbeladung von größer als 10 kg/m³;
(b) Mittel um den Gasstrom mit einem Sauerstoffpotential in direkten Kontakt und Wärmeaustauschwechselbeziehung mit dem Fließbett in einer ersten Zone zu bringen;
(c) Mittel zum Halten eines Vorrats der Teilchen des Fließbetts in der ersten Zone bei einer Temperatur unter der Kondensationstemperatur des Metalldampfs, und
(d) Mittel zum Steuern des Sauerstoffpotentials des Gasstroms, der mit dem Fließbett in Kontakt gebracht wird, so daß die Rückgewinnung des Dampfes als Metall maximiert wird.
Weitere und besondere Aspekte und Formen der Erfindung sind in den beigefügten Ansprüchen definiert und sind im einzelnen nachfolgend (aber ohne Beschränkung) beschrieben.
Ofenabgasströme enthalten manchmal Feststoffteilchen entweder als ein Ergebnis des Eintritts in den Ofen oder der Einführung von Schleifmitteln, um das Ansetzen an stromabwärts kühlenden Oberflächen zu verringern, um die Wärmerückgewinnung zu verbessern.
Jedoch ist in derartigen Fällen die Teilchendichte niedrig, d.h. nicht größer als 10 kg/m³ und gewöhnlich viel geringer. In vorliegendem Fall weist das Fließbett eine Teilchenbeladung auf, die vorzugsweise größer als 200 kg/m³, stärker bevorzugt größer als 400 kg/m³ und so viel wie 1600 kg/m³ oder mehr beträgt.
Vorzugsweise ist die thermische Masse (Masse multipliziert mit der spezifischen Wärme) der Teilchen in dem Fließbett derart, daß, wenn das Bad nicht gekühlt ist, die Rate der Temperaturerhöhung in dem Bett in Wärmeaustauschwechselbeziehung mit dem Ofenabgas weniger als 100 ºC/Sekunde und erstrebenswert weniger als 20 ºC/Sekunde sein wird.
Bevorzugt weist der Abgasstrom eine Temperatur über 960 ºC (stärker bevorzugt über 1100 ºC) beim Eintritt in das Fließbett auf und die Temperatur des Gases, das das Bett verläßt, wird auf unter etwa 500 ºC (im wesentlichen unter die Kondensationstemperatur des Metalldampfes und vorzugsweise unter den Schmelzpunkt des Metalls, das kondensiert werden soll, beispielsweise unter 419 ºC im Fall von Zink, unter 327 ºC im Fall von Blei und unter 321 ºC im Fall von Zinn) innerhalb eines Zeitraumes von weniger als 1 Sekunde, stärker bevorzugt weniger als 100 Millisekunden und erstrebenswert weniger als 1 Millisekunde verringert.
Erstrebenswert wird der Abgasstrom in einem im allgemeinen geschlossenen Ofen erzeugt, der ein Bad enthält, in das mittels einer eingetauchten Blaslanze Gas eingeführt wird, und das Abgas wird in Kontakt mit den Teilchen des Fließbettes gebracht, ohne daß es vorher Vorrichtungen zum vorherigen kühlen ausgesetzt wird.
Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, den Metalldampf direkt aus dem heißen Abgas durch Kondensation auf oder in der Nähe der Oberfläche der kühlen Teilchen in dem Fließbett abzufangen. In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung besteht eine direkt Kupplung zwischen dem Schmelzofen und dem Fließbett, das für die Kondensation verwendet wird. Das heißt, es gibt keinen beachtlichen Versuch der Wärmerückgewinnung zwischen dem Schmelzofen und dem Fließbett. Erstrebenswert werden Schritte unternommen, um die Abgastemperatur relativ zur Badtemperatur aufrechtzuerhalten oder zu erhöhen. Ferner wird mittels der Erfindung ein hoher Teil, wenn nicht die Gesamtheit des Metalls, als elementares Metall anstatt als ein Oxid zurückgewonnen, wodurch die Notwendigkeit, nachfolgend die Oxide durch elektrolytische Metallgewinnung in das Metall umzuwandeln, vermieden wird.
Im Fall der Zinkkondensation ist es wohl bekannt, daß sich Zinkdampf thermodynamisch zu Zinkoxiden oder -sulfiden umwandelt, wenn ein typisches zinkbeladenes Hochofenabgas, das Sauerstoff und Schwefeldioxid enthält, abkühlt (beispielsweise von 1200 ºC auf 500 ºC). Die Bildung derartiger nichtmetallischer Materialien war in der Vergangenheit ein Haupthindernis auf dem Weg der Entwicklung von direkten Kondensationsverfahren.
Die vorliegende Erfindung versucht diese Schwierigkeit durch die Schnelligkeit der umfaßten Quenchaktion zu vermeiden. Thermodynamisch ist die Bildung der nichtmetallischen Verbindungen erlaubt, aber die tatsächliche Bildung derartiger Verbindungen wird durch kinetische Faktoren verhindert. Es wurde gefunden, daß die Reaktionsgeschwindigkeiten für die Bildung von nicht angestrebten (nichtmetallischen) Materialien derart sind, daß bei niedrigen Temperaturen (beispielswiese 100 ºC bis 350 ºC) die Bildung zu langsam ist, um in diesem Zusammenhang beachtlich zu sein, obwohl auch die thermodynamische Triebkraft stark ist. Die Quenchaktion beinhaltet das sehr rasche Kühlen des heißen Hochofenabgases (beispielsweise von 1200 ºC bis 1300 ºC, wenn es Schwefeldioxid enthält) auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls des Dampfes. Das Ergebnis ist ein wirksames System, das viele der Schwierigkeiten und ökonomischen Nachteile, die mit der gegenwärtigen Technologie verbunden sind, vermeidet.
Von der exakten Form des Fließbettsystems wird angenommen, daß sie nicht kritisch ist. Es kann ein flaches sprudelndes/heraussprudelndes Bett oder ein zirkulierendes Fließbett sein. Welche Form auch immer das System annimmt, es sollte so entworfen sein, daß ein beachtlicher Vorrat von gekühlten Teilchen in der Nähe des Eintrittspunktes des heißen Gases in das Bett aufrechterhalten wird. Die Teilchen werden ausgewählt, um eine thermische Masse aufzuweisen, die im Vergleich mit der thermischen Masse des eintretenden Gases groß ist, und zusätzlich, um eine große wirksame Oberfläche, die dem Gas ausgesetzt ist, für die Wärme und Massenübertragung aufzuweisen. Das Ergebnis ist ein äußerst schnelles Quenchen (von weniger als 1 Sekunde, typischerweise weniger als 100 Millisekunden und erstrebenswert weniger als 1 Millisekunde), das die übermäßige Bildung von nicht angestrebten Materialien verhindert, beispielsweise die Umwandlung in Schwefel- oder Sauerstoffverbindungen des Metalls. Die Natur der Feststoffteilchen, die verwendet werden, ist ebenso nicht kritisch, obwohl es vorteilhaft ist, Feststoffe des gleichen Materials zu verwenden, das kondensiert wird. Mit geeigneter Körnchenbildung ist es möglich, die Kondensationseinheit als eine direkte Erzeugungsvorrichtung des festen Metalls zu betreiben. Der Bereich der Teilchengröße hängt von der Verwendung ab, es ist aber allgemein vorteilhaft, mit einer so feinen Verteilung, wie sie in dem System aufrechterhalten werden kann, zu arbeiten. Die maximale Korngröße in dem Bett beträgt vorzugsweise weniger als 2 mm und stärker bevorzugt weniger als 0,5 mm.
Die Energiegleichgewichtsbeschränkungen sind derart, daß Wärmeentfernung aus dem Fließbett notwendig ist. Dies kann durch eine Anzahl von Wegen, wie durch direkte Wasserzugabe oder Wärmeübertragung auf eine Kühlflüssigkeit, erreicht werden. Im Fall einer Kühlflüssigkeit ist die Anordnung der erforderlichen Wärmeübertragungsfläche abhängig von der Konstruktionszweckmäßigkeit und der Form des ausgewählten Fließbettes.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Zwei Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung werden nun mittels nur einem Beispiel mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen Figur 1 ein Badschmelzofen einer nicht rezirkulierenden Form ist und Figur 2 ein Badschmelzofen einer rezirkulierenden Form ist.
Die erste dieser Figuren erläutert schematisch die Kondensation eines nicht rezirkuherenden Fließbettes und die zweite Figur erläutert schematisch die Kondensation eines rezirkulierenden Fließbettes (CFB).

Nicht rezirkulierende Kondensation

Mit Bezug auf Figur 1 wird der Hochofen 101 bei einer geeigneten Hochofentemperatur (beispielsweise einer Badtemperatur von 1200 ºC) und Sauerstoffpotential durch die Einführung eines Sauerstoff enthaltenden Gases via einer Blaslanze 102 und durch Erz- /Schlacke-/Kohlezufuhr 103 gehalten. Der Metalldampf, beispielsweise Zinkdampf im Fall der Zinkverhüttung, verläßt das flüssige Bad 104 und tritt in den Gasraum 105 mit den Hochofenabgasen ein und fließt von hier in das Einlaufstück 106. Die Geschwindigkeit in diesem Schlund wird bei einem Wert gehalten, der verhindert, daß die Feststoffe von dem Fließbett in den Hochofen 101 fallen. Die sich nach oben ausdehnende Leitung oberhalb des Schlundes 106 enthält kühle Metallteilchen (unter 500 ºC und vorzugsweise unter 419 ºC im Fall von Zink, beispielsweise etwa 360 ºC) in Form eines dichten Fließbettes 107, das eine erste Zone definiert. Die durchschnittliche Bettdichte liegt im Bereich von 200 bis 1600 kg/m³ und vorzugsweise über 400 kg/m³. Ein schnelles Quenchen wird erreicht, wenn das heiße Hochofengas bei über 960 ºC und vorzugsweise bei über 1100 ºC in Kontakt mit oder mindestens in Wärmeaustauschwechselbeziehung mit dem teilchenförmigen Material kommt, und das Material kondensiert auf der Oberfläche oder in der Nachbarschaft der Teilchen. Teilchendurchmesser von weniger als 2 mm sind bevorzugt und von weniger als 0,5 mm sind stärker bevorzugt.
Gekühltes Gas kommt von dem Feststoff im Bereich 108 oberhalb des Fließbettes los und verläßt das System via dem Auslaß 109.
Das Kühlen des Fließbettes 107 wird beispielsweise mittels einer Kombination der Kühloberfläche in den Wänden des Gefäßes, Leitungsbündeln innerhalb des Gefäßes und/oder Wassersprüheinspritzung 110 erreicht. Eine Leitung mit Absperrvorrichtung 111 wird zum schnellen Austragen der Feststoffe aus dem System bereitgestellt. Sie wird in erster Linie zur Metallrückgewinnung, bei der Betriebsstillegung und in Notfällen verwendet.

Rezirkulierende Kondensation:

Die Kennummern 201 bis 206 kennzeichnen die Teile von Figur 2, die in der Funktion den Teilen 101 bis 106 von Figur 1 entsprechen und dieses System unterscheidet sich von dem vorstehend beschriebenen System nur in der Form des Fließbettes, das oberhalb des Schlundes 206 verwendet wird.
In der CFB-Ausführungsform wird ein vertikales Steigrohr 207 bereitgestellt, und die Gasgeschwindigkeit in dieser Leitung (1. Zone) ist derart, daß durchschnittliche Suspensionsdichten im Bereich von 10 bis 400 kg/m³, vorzugsweise 200 bis 400 kg/m³ in der ersten Zone aufrechterhalten werden. Die Gasgeschwindigkeiten liegen im Bereich von 2 bis 15 m/Sekunde. Das Gas und die mitgeführten Feststoffe, die die Spitze des Steigrohres verlassen, treten in einen Zyklon 208 ein und das Gas verläßt das System durch den Auslaß 209. Die in dem Zyklon eingefangenen Feststoffe werden mittels einer geeigneten Übertragunsvorrichtung (eine Schleife mit Abschluß 210 ist eine solche Vorrichtung) zu einem tieferliegenden Bereich des Steigrohres rückgeführt.
Das Produktmetall kann mittels einem oder mehrerer Zyklone 208 kontinuierlich entfernt werden, aus denen von Teilchen freies Gas bei Auslaß 209 ausgetragen wird. Ein Teil der Feststoffe, die in dem Zyklon 208 rückgewonnen werden, werden in einer zweiten Zone gekühlt und direkt in das Flüssigbett rückgeführt, während der Rest als ein Produkt via einer Leitung mit Absperrvorrichtung 211 gesammelt wird.
Das Kühlen des Fließbettes wird via Wärmeübertragungsoberfläche, beispielsweise an den Wänden des Steigrohres und/oder den Wänden des Zyklons und/oder den Rohrbündeln in dem Steigrohr erreicht. Kühlen durch Wassereinsprühen 211 wird gegebenenfalls verwendet.
Die Verringerung der Gastemperatur auf unter 419 ºC stellt im Fall von Zink sicher, daß die Teilchen unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls vorliegen, so daß die Teilchen direkt aus dem Dampf ohne Bildung von geschmolzenem Zink wachsen. Jedoch ist das Verfahren nicht auf die Verwendung bei der Kondensation von Zinkdampf beschränkt. In beiden erläuternden Ausführungsformen können Teilchen aus feiner Schlacke, Sand oder Metall aus dem vorherigen Betrieb verwendet werden, um das anfängliche Fließbett einzurichten.

Beispiel

Ein rezirkulierender Fließbettkondensator mit einem Steigrohr von 200 mm Durchmesser und 3 m Höhe wurde auf einem Hochofen eingerichtet, in dem Blei enthaltende Zinkhochofenschlacke bei 1200 ºC geschmolzen und mit Kohle reduziert werden konnte, um eine Quelle von metallischem Zinkdampf für den Kondensator zu bilden. Zusätzlich wurden die Gase auch durch Zufuhr von festem, metallischem Zink, das geschmolzen und verdampft werden sollte, in dem Hochofen mit metallischem Zinkdampf angereichert. Die Hochofenschlacke wurde bei einer Rate von 140 kg pro Stunde zugeführt und das Zinkmetall mit einer Rate von 26 kg pro Stunde zugeführt. Dies ergab eine Gesamtzinkzuführrate von 44 kg pro Stunde. Nachdem der Hochofen auf eine Temperatur erhitzt und stabilisiert worden war, wurde der zirkulierende Flüssigbettkondensator auf dem Hochofen befestigt und für 40 Minuten betrieben.
Der rezirkulierende Fließbettkondensator wurde zum Betrieb wie folgt hergerichtet. Kalte Luft wurde bei 250 Nm³/Stunde durch den Kondensator gepreßt und gemahlenes Siliciumdioxid wurde zugegeben, wobei ein Fließbett einer Dichte von etwa 400 kg/m³ hergestellt wurde. Die rezirkulierende Rate der Feststoffe durch die Zyklonvorrichtung und zurück zu dem Bett betrug 2 kg/Sekunde und die Teilchengröße nach mehrfacher Rezirkulierung durch das Bett ist in Tabelle 1 gezeigt. Mehr als 90% der Teilchen wiesen einen durchschnittlichen Volumendurchmesser von weniger als 0,5 mm auf. Der Kondensator wurde dann in den Hochofen abgesenkt, die Luft ausgeschloßen und die Gase, die Zinkdampf enthielten, in den Kondensator gepreßt. Die Badtemperatur wurde mittels Kühlwasser, das in äußeren Mänteln um das Bett zirkulierte, bei 190 ºC gehalten. Eine typische Wärmeextraktionsrrate in das Kühlwasser betrug 68 Kilowatt. Während des Verlaufs der Prüfung reichte die Temperatur des Zinkdampfes beim Eintritt in das Fließbett von 960º bis 1100 ºC, wobei die durchschnittliche Temperatur 1030 ºC betrug. Das Zinkmetall kondensierte auf der Oberfläche des Bettmaterials.
Die Proben des Bettmaterials wurden periodisch genommen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt.
Es wurde beobachtet, daß die gesamte Zinkmenge des Bettmaterials fortlaufend bis zu 15 Gewichtsprozent innerhalb der 40 Minuten der Prüfung zunahmen. Die Menge des Bettmaterials an metallischem Zink betrug gleichmäßig 60% der gesamten Zinkmenge, der Rest war Zinkoxid und Zinksulfid. Thermodynamische Berechnungen der Gleichgewichtsverteilung von Zink zwischen den drei Phasen - Zinkmetalldampf, Zinkoxid und Zinksulfid - sind in Tabelle 3 für die Bedingungen der Prüfung für einen Bereich der Gaseinlaßtemperaturen des Kondensators angegeben.
Unter Gleichgewichtsbedingungen wird eine metallischen Zinkfraktion von etwa 60% bei einer Einlaßdampftemperatur von 880 ºC erhalten. Dies ist etwa 150 ºC niedriger als die gemessene Betriebstemperatur des Dampfeinlasses in dem Kondensator. Dieser Temperaturunterschied kann die nicht im Gleichgewicht stehende Natur des Kondensators reflektieren. Zusätzlich war in dieser Prüfung die Ausbeute an Metall durch das Eindringen von Luft in das Bett über ein nichtbeabsichtigtes Leck in der Schleife mit Abschluß 210 erniedrigt. Es wird angenommen, daß in der Praxis eine nähere Annäherung an das Gleichgewicht mit einer entsprechend höheren Ausbeute von Zink als Zinkmetall erreicht werden kann. Tabelle 1 Teilchengröße des Kondensatorbettmaterials des zirkulierenden Flüssigbetts
* = durchschnittlicher Volumendurchmesser Tabelle 2 Chemische Analyse des Bettmaterials, das als Probe von dem zirkulierenden Flüssigbettkondensator entnommen wurde Tabelle 3 Gleichgewichtszinkverteilung zwischen Zinkdampf, Zinkoxid und Zinksulfid als eine Funktion der Temperatur für die Bedingungen des Beispiels
In der Praxis der Erfindung ist es erstrebenswert, das Sauerstoffpotential in den Dampfstrom, der in das Bett eintritt, zu steuern. Wenn der Gasstrom reaktive Spezien enthält, die im chemischem Gleichgewicht mit dem Metall stehen, wird der Partialdruck des Sauerstoffes in dem Gasstrom gesteuert, um die Bildung des Metalls zu fördern und die Bildung von Reaktions- oder Umkehrprodukten zu hemmen. In dem vorliegendem Beispiel wird der Sauerstoffpartialdruck gesteuert, um die Bildung von Zinksulfiden oder -oxiden unter chemischen Gleichgewichtsbedingungen zu hemmen.
Das optimale Sauerstoffpotential bei dem Punkt des Eintritts des Gasstromes in das Bett unterscheidet sich typischerweise beachtlich von dem Sauerstoffpotential, das das Optimum in dem Verhütungsbad in dem Hochofen darstellt.
Die Sauerstoffkonzentration in dem Dampfstrom beim Eintritt in das Bett kann durch Einführen von Inertgasen in den Hochofen oder durch Aufrechterhalten eines positiven Druckes, um Lufteintritt zu verhindern, oder durch Einstellen der Zuführungen, um eine vorbestimmte Menge an Sauerstoff zu verbrauchen, oder unter Verwendung von Nachbrennern, die zwischen dem Bad und dem Fließbett angeordnet sind, gesteuert werden. Ähnlich kann die Temperatur des Dampfes, der in das Fließbett eintritt, bei einem erhöhten Nivea, unter Verwendung von Nachbrennern oder anderen Heizvorrichtungen und/oder durch die Hochofenkonstruktion gesteuert werden, um den Wärmeverlust vor dem Quenchen zu vermeiden.
Der Hochofengasstrom kann als reaktive Spezien beispielsweise enthalten:
Schwefel enthaltende Spezien, wie Schwefeldioxid, Schwefel und Schwefelwasserstoff, Sauerstoff enthaltende Spezien, wie Schwefeldioxid, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid und Wasserdampf,
Halogen enthaltende Spezien, wie Chlorwasserstoff, Fluorwasserstoff und Chlorid, und NOX-Spezien.
Typischerweise wird der Gasstrom ein Gemisch derartiger Spezien umfassen, das gemäß der Quelle des Metalls und weiterer Hochofeninhalte und Betriebsbedingungen variiert. Mittels einem Beispiel wird die berechnete Zusammensetzung des Gasstromes für eine Zinkverhüttungsvorrichtung in Tabelle 4 gezeigt. Tabelle 4 Berechnete Zusammensetzungen für die Zinkschmelze
In jedem Fall können das Sauerstoffpotential und die Temperatur am Eintritt in das Bett, die die optimale Rückgewinnung des elementaren Metalls ergeben, auf Grundlage der Lehre der vorliegenden Erfindung durch Routineexperimente bestimmt werden. Mikrophotographische Beweise deuten an, daß ein beachtlicher Teil des Metalldampfes in der Nähe der Teilchen des Fließbettes anstatt auf der Oberfläche der Siliciumdioxidteilchen des Bettes kondensiert. Ein Teil des Metalles wird daher in Form von sehr feinen Metallteilchen (beispielsweise 0,2 Mikrometer oder weniger) ohne Siliciumdioxid zurückgewonnen. Von einer großen Menge des Metalls, das auf den Siliciumdioxidteilchen des Fließbettes gefunden wurde, wird angenommen, daß es sich auf den Siliciumdioxidteilchen des Bettes durch Zusammenprall mit feinen Metallteilchen niederschlug. Die Metallteilchen und die mit Metall beschichteten Betteilchen können von dem Gasstrom mittels üblicher Mittel, die Zyklone, Sackfilter und ähnliches einschließen, abgetrennt werden.
Obwohl die Erfindung in erster Linie mit Bezug auf die Rückgewinnung von Metallen aus Gasströmen beschrieben wurde, in denen Spezien, die gegenüber dem Metall reaktiv sind, vorhanden sind, ist die Erfindung ebenso zur Rückgewinnung von Metallen in der Abwesenheit derartiger Spezien, beispielsweise bei der Metallreinigung, anwendbar. Wie aus der Lehre der vorliegenden Erfindung von den Fachleuten abgeschätzt werden kann, kann die Erfindung mittels anderer Mittel ohne Abweichung von dem Konzept, das vorliegend offenbart wurde, ausgeführt werden.

Claims

1. Verfahren zur Rückgewinnung eines Metalls aus einem Gasstrom, der das Metall als Dampf enthält, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:

(a) des direkten Inkontaktbringens des Stroms mit einem Fließbett von festen Teilchen, wobei das Bett eine Feststoff teilchenbeladung von größer als 10 kg/m³ aufweist,

(b) des Steuerns des Fließbetts derart, daß es einen Vorrat an Teilchen einschließt, die eine derartige kombinierte Masse, spezifische Wärme und Temperatur aufweisen, daß sie schnell in weniger als 1 Sekunde die Temperatur des Dampfes in Wärmeaustauschwechselbeziehung mit dem Bett unter die Kondensationstemperatur des Metalls verringern, wodurch der Metalldampf kondensiert, und

(c) des Steuerns des Sauerstoffpotentials des Stroms, der in Kontakt mit dem Bett gebracht wird, derart, daß die Rückgewinnung des Dampfs als Metall maximiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Gasstrom ein Brennkammerabgasstrom ist und eine Spezies enthält, die gegenüber dem Metalldampf reakti, ist, wobei das Verfahren ferner die Schritte umfaßt:

(d) des Haltens des Abgasstroms bei einer Temperatur, die im wesentlichen gleich oder größer als die Brennkammertemperatur vor dem Kontakt mit dem Bett ist,

(e) des Steuerns des Fließbetts derart, daß es einen Vorrat an Teilchen umfaßt, die eine derartige kombinierte Masse, spezifische Wärme und Temperatur aufweisen, daß sie die Temperatur des Abgasstroms in Wärmeaustauschwechselbeziehung mit dem Bett mit einer derartigen Temperaturände rungsrate unter die Kondensationstemperatur des Metalls verringern, daß die Reaktion zwischen dem Dampf und der reaktiven Spezies minimiert ist, wodurch der Metalldampf kondensiert, und

(f) des Abtrennens des kondensierten Metalls von dem restlichen Strom.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Temperatur des Gases, das das Bett verläßt, unter den Schmelzpunkt des Metalls verringert wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Temperatur, bei der der Gasstrom in Kontakt mit dem Bett gebracht wird, und die durchschnittliche Temperatur der Teilchen im Bett derart ausgewählt werden, daß die Rückgewinnung des Dampfes als elementares Metall optimiert ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Teilchenbeladung größer als 200 kg/m³ ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gasstrom eine Temperatur größer als 960 ºC beim Eintritt in das Fließbett aufweist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gasstrom eine Temperatur größer als 1100 ºC beim Eintritt in das Fließbett aufweist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Temperatur des Gasstrons beim Verlassen des Betts auf unter 500 ºC verringert wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Temperatur des Gasstroms beim Verlassen des Betts auf unter 350 ºC verringert wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die thermische Masse des Betts in Wärmeaustauschwechsel beziehung mit dem Gasstrom derart ist, daß in Abwesenheit von Kühlen der Temperaturanstieg des Betts weniger als 100ºC/Sekunde beträgt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die thermische Masse des Betts in Wärmeaustauschwechselbeziehung mit dem Abgasstrom derart ist, daß in Abwesenheit von Kühlen der Temperaturanstieg des Betts weniger als 20ºC/Sekunde beträgt.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Teilchen des Betts eine durchschnittliche Korngröße aufweisen, die 2 mm im Durchmesser nicht überschreitet.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei 90 % der Teilchen des Betts eine Korngröße aufweisen, die 0,5 mm im Durchmesser nicht überschreitet.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Metalldampf Zink ist.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Teilchen des Betts Metallteilchen des gleichen Metalls wie das Metall des Dampfes sind.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Teilchen des Betts Siliciumdioxid sind.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner den Schritt des kontinuierlichen Entfernens eines Teils der Feststoffe in dem Fließbett und die Rückgewinnung des kondensierten Metalls daraus umfaßt.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fließbett ein kontinuierlich rezirkulierendes Fließbett ist.

19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Metall des Dampfes aus der Gruppe, die aus Zink, Blei, Zinn, Magnesium, Cadmium und Mangan besteht, ausgewählt ist.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Metall Zink ist.

21. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Metall Zinn ist.

22. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Metall Blei ist.

23. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Metall Magnesium ist.

24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gasstrom eine Vielzahl von Metallen jeweils als Dampf enthält.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 24, wobei der Gasstrom eine oder mehr reaktive Spezien enthält, die aus der Gruppe, die aus Schwefel, Sauerstoff, Halogen oder Stickstoff enthaltenden Spezies besteht, ausgewählt ist.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 25, wobei der Gasstrom mindestens eine reaktive Spezies enthält, die aus der Gruppe, die aus Schwefel, Schwefeldioxid und Schwefelwasserstoff besteht, ausgewählt ist.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 25, wobei der Gasstrom mindestens eine reaktive Spezies enthält, die aus der Gruppe, die aus Kohlendioxid, Kohlenmonoxid oder Wasser besteht, ausgewählt ist.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 25, wobei der Gasstrom mindestens eine reaktive Spezies enthält, die aus der Gruppe, die aus Halogenwasserstoffen und Halogenen besteht, ausgewählt ist.

29. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 28, das ferner das Steuern des Sauerstoffpotentials des Gasstroms umfaßt, so daß die Reaktion zwischen der reaktiven Spezies und dem Metall gehemmt wird.

30. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner den Schritt des Erhitzens des Gasstroms umfaßt, so daß die Temperatur, bei der der Dampf mit dem Bett in Kontakt gebracht wird, größer als die Brennkammertemperatur ist.

31. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Temperatur des Gasstroms in Wärmeaustauschwechselbeziehung mit dem Bett in weniger als 100 Millisekunden unter die Kondensationstemperatur des Metalls verringert wird.

32. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Temperatur des Gasstroms in Wärmeaustauschwechselbeziehung mit dem Bett in weniger als 1 Millisekunde unter die Kondensationstemperatur des Metalls verringert wird.

33. Gerät zur Rückgewinnung eines Metalls aus einem heißen Gasstrom, der das Metall als Dampf enthält, wobei das Gerät umfaßt:

(a) Mittel zur Fluidisation eines Betts von festen Teilchen mit einer Teilchenbeladung von größer als 10 kg/m³;

(b) Mittel um den Gasstrom mit einem Sauerstoffpotential in direkten Kontakt und Wärmeaustauschwechselbeziehung mit dem Fließbett in einer ersten Zone zu bringen;

(c) Mittel zum Halten eines Vorrats der Teilchen des Fließbetts in der ersten Zone bei einer Temperatur unter der Kondensationstemperatur des Metalldampfs, und

(d) Mittel zum Steuern des Sauerstoffpotentials des Gasstroms, der mit dem Fließbett in Kontakt gebracht wird, so daß die Rückgewinnung des Dampfes als Metall maximiert wird.

34. Gerät nach Anspruch 33, wobei das Fließbett durch die erste Zone rezirkuliert wird.

35. Gerät nach Anspruch 34, wobei die Teilchen des Fließbetts vor der Rezirkulation in die erste Zone in einer zweiten Zone gekühlt werden.

36. Gerät nach einem der Ansprüche 33 bis 35, das mit einer Brennkammer verbunden ist, die bei einer Temperatur größer als 960 ºC arbeitet, um den heißen Gasstrom zu erzeugen.

37. Gerät nach Anspruch 36, wobei die Brennkammer bei einer Temperatur großer als 1100 ºC arbeitet.

38. Gerät nach einem der Ansprüche 33 bis 37, wobei das Fließbett eine Teilchenbeladung größer als 400 kg/m³ aufweist.

39. Gerät nach einem der Ansprüche 33 bis 38, wobei das Fließbett Siliciumdioxidteilchen umfaßt.

40. Gerät nach einem der Ansprüche 33 bis 39, wobei die Mittel zum Beibehalten eines Vorrats von gekühlten Teilchen Wassereinspritzungen umfassen.

41. Gerät nach Anspruch 40, wobei das Wasser in die erste Zone gesprüht wird.

42. Gerät nach einem der Ansprüche 33 bis 41, wobei ein Vorrat der Teilchen in dem Bett auf unter 500 ºC gehalten wird.

43. Gerät nach einem der Ansprüche 35 bis 42, das ferner Mittel zum Halten des Brennkammerabgasstroms auf über 960 ºC, bis der Brennkammerabgasstrom in das Fließbett eintritt, umfaßt.

44. Gerät nach einem der Ansprüche 35 bis 43, das ferner Mittel zum Halten des Brennkammerabgasstroms auf über 1100 ºC, bis der Brennkammerabgasstrom in das Fließbett eintritt, umfaßt.

45. Gerät nach einem der Ansprüche 33 bis 44, das ferner Mittel zum Abtrennen eines Teils der Feststoffe in dem Fließbett vom Rest umfaßt.

46. Gerät nach einem der Ansprüche 35 bis 43, das Mittel zur Erhöhung der Temperatur des Gasstroms über die Brennkammertemperatur einschließt.

47. Gerät nach einem der Ansprüche 33 bis 46, das ferner Mittel zur Steuerung des Sauerstoffpotentials in dem Gasstrom vor dessen Eintritt in die erste Zone umfaßt.

48. Gerät nach einem der Ansprüche 33 bis 47, wobei die Teilchen des Betts eine derartige thermische Masse aufweisen, daß, wenn das Bett nicht gekühlt wird, die Geschwindigkeit der Zunahme der Temperatur des Vorrats der Teilchen in der ersten Zone weniger als 100 ºC/Sekunde beträgt.

49. Gerät nach einem der Ansprüche 33 bis 48, wobei die Teilchen des Betts eine derartige thermische Masse aufweisen, daß, wenn das Bett nicht gekühlt wird, die Geschwindigkeit der Zunahme der Temperatur des Vorrats der Teilchen in der ersten Zone weniger als 20 ºC/Sekunde beträgt.