DK17489A - Fremgangsmaade og indretning til udfoerelse af varme kemiske processer - Google Patents

Description

Opfindelsen angår en fremgangsmåde, samt en indretning til udførelse af varme kemiske processer, især smeltning og/eller smeltereduktion af blandinger af metalværksstøv, erts og andre smeltelige- og/eller smeltereducerbare materialer, såsom f.eks. S1O2, MgO, T1O2, Ta2C>5 eller de hertil svarende metaller ved arbejdstemperatu-rer, som ligger over højildfaste udforingers smeltetemperatur.

Med de fremgangsmåder, der idag er til rådighed, er det ikke muligt at udføre varme kemiske processer i temperaturområder, der ligger over de kendte højildfaste foringers smeltetemperatur. De i dag almindelige smelte- og smeltereduktionsfremgangsmåder har desuden et højt energiforbrug og fører som følge af det støvudslip, som røggasserne indeholder, til en meget alvorlig skadelig forurening af omgivelserne, såfremt der ikke anvendes dyre ekstra indretninger. En forarbejdning af store mængder opstået metalværksstøv støder endvidere på betydelige vanskeligheder.

Patentskriftet DD-A5-215 803 beskriver ganske vist et forsøg, hvor der opnås en hurtig nedsmeltning og en hurtig reaktion mellem påsatte bestanddele i en skaktovn under tilførsel af elektrisk energi, idet der dannes en plasmaflamme mellem en gennem skaktovnens øvre afdækning indført, i midten anbragte plasmabrænder og en gennem skaktovnens bund indført modelektrode, og det påsatte materiale indføres koncentrisk omkring denne plasmabrænder, hvorved der op mod ovnens indervæg lægges en beskyttelsesvæg af faste påsætningsbestanddele, og de påsatte materialer når ind i plasmaflammeområdet fra indersiden af denne beskyttelsesvæg.

Ved denne fremgangsmåde er det dog ikke muligt målrettet at styre plasmaflammen for at smelte og/eller opnå en kemisk reaktion af den dannede beskyttelsesvæg. En kontinuerlig drift af en sådan skaktovn er ikke gennemførlig. De ved reaktionen dannede røggaser må føres ud gennem blandingen, hvilket medfører yderligere ulemper ved disse fremgangsmåder, f.eks. med hensyn til kondensering af røggassens bestandele.

Formålet med opfindelsen er at anvise en fremgangsmåde og en indretning af den indledningsvis nævnte art til udførelse af varme kemiske processer, især smeltning og/eller smeltereduktion af blandinger af metalværksstøv, erts og andre, smeltelige- og/eller smeltereducerbare materialer, såsom f.eks. S1O2, MgO, T1O2, Ta205 eller de hertil svarende metaller, idet de eller den varme kemiske proces udføres i temperaturområder, der ligger langt over de kendte højildfaste foringers smeltetemperatur. Samtidigt skal varme kemiske-fysiske reaktioner kunne sikkert beherskes uden at måtte begrænse processens reaktionstemperatur. Som en væsentlig fordel i forhold til de kendte fremgangsmåder skal der yderligere kunne opnås en betydelig energibesparelse, og at støvudslip med røggasserne forhindres i videst muligt omfang.

Dette opnås, idet fremgangsmåden ifølge opfindelsen er ejendommelig ved, at en blanding, som har en bestemt sammensætning og skal smeltes og/eller reduceres, presses sammen til blokke, som under dannelse af en bestemt hulrumsform anbringes omkring en strålingskilde med høj energitæthed, og at den bestemte hulrumsform bibeholdes ved radialt at føre blandingsblokkene ind mod den i midten placerede strålingskilde i takt med smelte- og/eller srneltereduktionsprocessens forløb.

Ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen udgør blandingen, der er presset sammen til blokke, samtidigt reaktionsmediet og den metalurgiske reaktionsbeholders "udforing". Blokkene trykkes indefter i takt med smeltningens forløb, således at hulrummet omkring strålingskilden, f.eks. en plasmaflamme, stadig bibeholder samme form.

Til dette formål skydes blandingsblokkene radialt ind mod den centralt anbragte strålingskilde, eftersom smelte- og/eller smeltereduktionsprocessen forløber. Med passende forholdsregler holdes plasmaflammen inde i hulrummet, således som det i det følgende vil blive nærmere beskrevet.

For nøjagtigt at kunne tilføre blandingsblokkene til energikilden anvendes fortrinsvis ledeelementer. Det påsatte materiale, som tilføres i blokform, tørres hensigtsmæssigt, hvorved blokkene på grund af de krav, som fremføringssystemet stiller, må have en vis målholdighed og koldtryksstyrke.

Anvendelsen af fremgangsmåden ifølge opfindelsen til behandling af metalværksstøv kan med fordel finde sted på følgende måde, hvorved der eksempelvis kan gås ud fra de påsætningsstoffer, som er angivet i nedenstående tabel:

Tabel 1 Påsætningsstoffernes analyse FS Filterstøv KR Krivoj-Rog (surt metalværksstøv) GS Giktstøv KS Koksaske fra koksstøv (filterstøv)

FS KR GS KS

Fe 46,80 50,35 27,40 31,70

FeO 8,90 - 5,16

Fe203 57,06 (70,98) (38,42) 45,33

Mn 1,21 0,09 0,57

Si02 1,55 16,31 8,08 21,20 A1203 0,33 3,64 1,93 8,70

CaO 15,60 0,13 0,93 13,02

MgO 1,75 0,35 1,73 0,69 P 0,064 0,055 0,050 0,157 S 0,072 0,023 0,42 3,40

Pb 0,54 0,001 0,019 -

Zn 3,18 0,0019 0,0055 0,018 C02 - - 1,13 - C - - 37,31 79,13

Cu - - 0,007 -

Cr - 0,02

Ti02 0,08 - 0,50 0,46

Na20 - - 0,15 0,46 K20 - - 0,29 0,94

Fugt 20,40 4,37 - 0,5

Glødetab 8,40 2,37 40,60 1,85

Aske - - - 20

Metalværksstøvets blandingsforhold i vægt-% FS 38,8 KR 25,6 GS 31,0 KS 4,6 ialt 100,0 %

De i tabel 1 anførte påsætningsstoffer blandes hensigtsmæssigt med 9 vægt-% vand, presses til blokke i passende størrelse og tørres dernæst. De tørrede blokke anbringes under medvirkning af et antal ledeelementer, der sikrer en nøjagtig tilførelse af blandingsblokkene, radialt omkring en i midten anbragt strålingskilde, hvorved der omkring denne, f.eks. en plasmaflamme, dannes et hulrum med en bestemt form. Ved en fordelagtig udførelsesform ifølge opfindelsen kan denne plasmaflamme være udformet på den måde, der er beskrevet i patentskriftet AT-PS 376 702. Efter tænding af plasmaflammen, som ved hjælp af argongas udsendes fra en grafitelektrode, føres carbon-hybrider og/eller findispenseret grafit ind sammen med denne gas. Som følge af den høje plasmatemperatur går carbonen (grafitten) over i gasfase, og ionisationen af carbonhybriderne fremmer reduktionsprocessen. Desuden nedsættes afbrændingen af grafitelektroden i vidt omfang som følge af den højionidiserede carbonhybridatmosfære. Efter at plasmaflammen mellem elektroderne er tændt begynder blandingsblokkene, der hulrumsagtigt omgiver plasmaflammen, at smelte. I takt med at blokkene smelter, skydes de indefter udefra, således at hulrummet stadigt bibeholder samme form. Under smeltningen finder der samtidigt med den varme kemiske reaktion en direkte reduktion sted.

Da denne reaktion i nærværende tilfælde finder sted uden luftens adgang, kan der ved de herskende høje temperaturer ved siden af den som plasmagas anvendte argon kun dannes carbonmonoxid og hydrogen. Disse gasser kan tilføres en energigenbrugsproces ved kendt teknologi. Påsætningsmaterialets indhold af tungmetaller fordamper under den proces, som finder sted, og kan for størstedelen bringes til at kondensere i et kondenseringselement, som er indbygget i en gasaftrækshætte eller et gasaftræksrør .

Det flydende jern, som opstår under denne proces, kan aftappes kontinuerligt, ligesom den opståede slagge udledes kontinuerligt.

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen egner sig desuden til behandling af det slam, der opstår ved udvinding af jernerts, f.eks. fra ertsbjerget i Steiermark, Østrig. Nedenstående tabel 2 viser gennemsnitsværdier for slamanalyser fra jernerts:

Tabel 2:

Jernerts-slamanalyse * i_%

Fe 26

FeO 14,5

Fe203 20,7

Glødetab (C02;H20 geb.) 26,6

Si02 12,5

CaO 13,3 AI2O3 5,6

MgO 4,0 SO3 0,21 P205 0,14

Mn 1,8

Kornstørrelse af de faste stoffer i fortykkeroverløbet <100 μπι *) Gennemsnitsanalyse

Som det fremgår af ovenstående tabel udgør denne slams sammensætning allerede i sig en blanding. Efter iblanding af carbon i overensstemmelse med de støkiometriske krav kan dette påsætningsmateriale presses sammen til passende blokke og tilføres smeltereduktionen ifølge opfindelsen i den ovenfor beskrevne fremgangsmåde. Af væsentlig betydning for forløbet af fremgangsmåden ifølge opfindelsen er også i dette tilfælde den passende udformning og bibeholdelse af hulrummets form under hele processens forløb.

Samtlige metalliske ertstyper kan reduceres på varm kemisk måde efter ovenstående princip. På samme vis kan alle smelteprocesser, der forløber ved meget høje temperaturer, udføres ved hjælp af fremgangsmåden ifølge opfindelsen. Af særlig interesse er oparbejdningen af filterstøv og slaggerester fra forbrændingsanlæg, såsom f.eks. affaldsforbrændingsanlæg, idet disse materialer kan smeltes så langt ned, at fordampede tungmetaller kan genvindes ved partiel kondensering og eventuelle tilbå-geblivende sporestoffer bindes i det glaskeramiske slutprodukt, hvorfra det ikke mere kan udvaskes.

En særlig interessant anvendelse af fremgangsmåden ifølge opfindelsen udgør den direkte reduktion af bauxit til metallisk aluminium. Til dette formål opblandes fint formalet bauxit omhyggeligt med carbon i det nødvendige støkiometriske forhold og presses på den ovenfor beskrevne måde sammen til blokke, der tørres og tilføres en strålingskilde på en sådan måde, at der opstår en bestemt hulrumsform, som bibeholdes under den videre reaktion. Når plasmaflammen er tændt, smelter bauxitblandin-gen fra overfladen, hvorved jernoxiden reduceres først og samler sig som en jernsump, der er mættet med aluminium og beriget med carbon, i opsamlingsbeholderen. Aluminiumoxiden forekommer til at begynde med som en smeltestrøm (smelteflus) og omdannes under yderligere energitilførelse ved temperaturer større end 2000 °C efter 2 AI2O3 + 9C----) AI4C3+6CO af Al3+ - og C4--ioner over vejende til aluminiumcarbid (AI4C3) - (dannelsesvarme Δ H= -49,9 kcal/mol). Ved langsom afkøling fra 1500 °C ned til ca. 660 °C nedbrydes AI4C3 til metallisk aluminium og carbon i form af grafit efter AI4C3-----^ 4 Al + 3C. Carbiden kan også reagere med AI2O3 efter formlen AI4C3 + AI2O3 -) 6A1 + 3CO.

En fuldstændig omsætning af den forekommende AI2O3 eller smelteflus kan med fordel opnås på følgende måde:

Al2C>3f der til at begynde optræder som en smeltestrøm (smelteflus), drives under indvirkning af den dannede varme gas (C0/H2~gas) over i en raffineringsbeholder under dannelse af aluminiumcarbid og den hermed følgende disproportionering. Tilbageblivende, ikke omsat AI2O3-smelte føres atter tilbage til reaktionszonen for at opnå en fuldstændig omsætning. I området ved raffineringszonen aftappes metallisk aluminium med et maximalt car-bonindhold på 0,05 %, et siliciumindhold på ca. 1 %, et titanindhold på ca. 1 % og yderligere en forurening med jern i en størrelse af maximalt 1,8 %. Fra opsamlingsbeholderen, der befinder sig under reaktionszonen, aftappes kontinuerligt jern, som er mættet med aluminium og beriget med carbon.

Som tidligere nævnt holdes plasmaflammen ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen inde i hulrummet. For nemlig fuldt ud at kunne udnytte en plasmaflammes høje energi-tæthed vil det være nødvendigt, at styre plasmaflammen nøjagtigt inden i det afgrænsede hulrum. For at kunne optimere smelte- og reduktionsprocessen er det desuden nødvendigt så nøjagtigt som muligt at overholde den energitilførsel, dvs. smelteentalpi og reduktionsental-pi, som kræves til at gennemføres den varme kemiske proces, samt optimalt at tilpasse den entalpi, der kræves til forgasning af grafitten i plasmaflammen, og den samlede energi, som tilføres denne. Med den sædvanlige plasmaflamme-teknologi kan denne opgave ikke løses tilfredsstillende. Ved den sædvanlige teknologi gåes der ud fra, at der opbygges en plasmaflamme mellem to elektroder, en top- og en bundelektrode og/eller mellem en top og to eller tre sideelektroder. Plasmaflammen kan imidlertid herved udbrænde et kun i den ene side af ovnen liggende hulrum, da flammen ikke kan styres kontrol]eret.

Ved en yderligere fordelagtig udformning af fremgangsmåden ifølge opfindelsen er det nu yderligere muligt at løse den ovenfor omtalte opgave med nøjagtigt at overholde energitilførslen og kontrolleret at styre plasmaflammen inden i det definerede hulrum, idet plasmaflammen bringes til at brænde mellem hovedelektroden, topelektroden, som rager ind i hulrummet, og et antal radialelektroder (a-h), som er anbragt umiddelbart under hulrummet. Ved hjælp af en thyristorstyring påtrykkes radialelektroderne en basisstrøm til ionisering af gasatmosfæren, medens hovedstrømmen ved hjælp af termoelementer, som er anbragt ved ledesystemets forkant, fordeles således af thyristorerne, at der sikres en ensartet afsmeltningshastighed af hulrummets overflade.

Ved en yderligere fordelagtig udførelsesform kan det smeltede materiale, som er løbet ned i opsamlingsbeholderen, og som opvarmes af en bundelektrode, som styres ved måling af badets temperatur, yderligere tilføres energi fra radialelektroderne med henblik på at holde badets temperatur konstant.

Opfindelsen angår også en indretning til udøvelse af den ovenfor beskrevne fremgangsmåde, og denne indretning er ifølge opfindelsen ejendommelig ved, at den omfatter et hulrum, som i en bestemt form er dannet af blokke af en blanding, som skal smeltes og/eller smeltereduceres; et antal fortrinsvis radialt anbragte ledeelementer til at føre blandingsblokkene ind mod centrum; en opsamlingsbe holder, som er forsynet med udløb til metalsmelten og den flydende slagge; et i midten anbragt elektrodeagre-gat; en over hulrummet anbragt afdækning; en gasaftrækshætte og; et gasaftræksrør.

Opfindelsen forklares nedenfor, idet der beskrives eksempelvise udførelsesformer under henvisningen til tegningen, hvor fig. 1 viser et tværsnit gennem en udførelsesform for en indretning ifølge opfindelsen, fig. 2 samme set fra oven, fig. 3 et tværsnit gennem en anden udførelsesform for en indretning ifølge opfindelsen, som især er velegnet til direkte reduktion af bauxit, fig. 4 samme set fra oven, og fig. 5 en principskitse af en yderligere udførelsesform ifølge opfindelsen, hvormed energitilførslen nøje kan overholdes, og plasmaflammen kan styres kontrolleret inde i det definerede hulrum.

Som vist, er hulrummet, der er angivet med henvisningstallet 1, dannet af en blanding, som skal smeltes og/-eller smeltereduceres, og som i blokform tilføres radialt udefra og indefter. Et antal radialt anbragte ledeelementer 2 sikrer, at blandingsblokkene tilføres nøjagtigt ind mod centrum. I en under hulrummet 1 anbragt opsamlingsbeholder 3 er der på egnede steder indrettet afløb til metalsmelten og den flydende slagge. En øvre elektrode er angivet med henvisningstallet 4, medens en nedre elektrode 10 er anbragt ved opsamlingsbeholderen 3's bund. Reaktionsbeholderens øvre afdækning er angivet med henvisningstallet 5, en gasaftrækshætte med henvisningstallet 6 og et gasaftræksrør med henvisningstallet 7. Forbindelseskanaler er angiver med henvisningstallene henholdsvis 8 og 9. Fig. 5 viser den krævede strøm- og gasforsyning til den øvre elektrode eller hovedelektroden 4, som rager ind i hulrummet 1, og som med en slæde eller lignende indretning kan forskydes vertikalt. Umiddelbart under hulrummet 1 er der i et horisontalt plan anbragt et antal radialelektroder (a-h), som hver for sig kan forskydes radialt frem og tilbage og fortrinsvis kan drejes omkring deres respektive radius. Bundelektroden 10 kan være anbragt under hulrummet 1 i opsamlingsbeholderen 3.

Ved at anvende fremgangsmåden ifølge opfindelsen er det muligt direkte at omdanne blandingens oxiderede bestanddele til en smeltestrøm og at foretage reduktionen til metaller fra denne flydende fase. Denne teknologis fordel i forhold til de sædvanlige fremgangsmåder består i, at f.eks. Fe2C>3 ikke først behøver at tage omvejen over Fe304 og FeO til Fe, men direkte kan reduceres af den smeltede Fe2C>3 til Fe, hvorved der kan udnyttes tilstedeværelsen af et gunstigt blandingsforhold, hvor der uden forureninger af carbon, silicium, mangan, phosphor osv. i ren form udfældes jern, der befinder sig i ligevægt med flydende Fe2C>3. (Jævnfør Ullmanns Encyklopådie der technischen Chemie, 4. oplag, bind 10, side 334).

Claims (9)

1. Fremgangsmåde til udførelse af varme kemiske processer, især smeltning og/eller smeltereduktion af blandinger af metalværksstøv, erts og andre smeltelige- og/eller smeltereducerbare materialer, såsom eksempelvis S1O2, MgO, T1O2, Ta2C>5 eller de hertil svarende metaller ved arbejdstemperaturer, som ligger over højildfaste udforingers smeltetemperatur, kendetegnet ved, at en blanding, som har en bestemt sammensætning og skal smeltes og/eller reduceres, presses sammen til blokke, som under dannelse af en bestemt hulrumsform anbringes omkring en strålingskilde med højenergitæthed, og at den bestemte hulrumsform bibeholdes ved, at blandingsblokkene føres radialt ind mod den i midten placerede strålingskilde i takt med smelte- og/eller smeltereduktionsprocessens forløb.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at der som strålingskilde med høj energitæthed anvendes en plasmaflamme.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 2, kendetegnet ved, at der efter tænding af en plasmaflamme, som udsendes fra en grafitelektrode ved hjælp af argongas, føres carbonhybrider og/eller findispenseret grafit ind sammen med denne gas.

4. Fremgangsmåde ifølge krav 1, 2 eller 3, kend e-tegnet ved, at der til nøjagtig fremføring af blandingsblokkene er anbragt et antal ledeelementer.

5. Fremgangsmåde ifølge et eller flere af kravene 1-4, kendetegnet ved, at der opbygges en plasmaflamme mellem en hovedelektrode, som rager ned i hulrummet, og et antal radialelektroder, som er anbragt umiddelbart under hulrummet, og at denne plasmaflamme påtrykkes en elektrisk basisstrøm til ionisering af flammens gasatmosfære, medens hovedstrømmen fordeles således mellem radialelektroderne, at der sikres en ensartet afsmeltningshastighed af hulrummets indre overflade.

6. Fremgangsmåde ifølge krav 5, kendetegnet ved, at smelten, som løber ned i en opsamlingsbeholder, foruden at modtage varme fra en i denne beholder anbragt bundelektrode, tilføres varme fra radialelektroderne til vedligeholdelse af en konstant badtemperatur.

7. Indretning til udøvelse af fremgangsmåde ifølge krav 1-6, kendetegnet ved, at den omfatter et hulrum (1), som i en bestemt form er dannet af blokke af en blanding, som skal smeltes og/eller smeltereduceres; et antal fortrinsvis radialt anbragte ledeelementer (2) til at føre blandingsblokkene ind mod centrum; en opsamlingsbeholder (3), som er forsynet med udløb til metalsmelten og den flydende slagge; et i midten anbragt elektrodeagregat (4); en over hulrummet (1) anbragt afdækning (5); en gasaftrækshætte (6) og; et gasaftræksrør (7) .

8.

Indretning ifølge krav 7, kendetegnet ved, at den omfatter mindst én ekstra opsamlingsbeholder (3'), der tjener som raffineringszone, og som står i forbindelse med hulrummet (1) eller en yderligere opsamlingsbeholder (3'') via forbindelseskanaler (8, 9). Det erklæres hermed, at nærværende beskrivelse og krav modsvarer den oprindelige beskrivelse med krav til PCT/AT88/00033.