EP2480349A1 - Verfahren und reaktor zur aufbereitung von kohlenstoffhaltigem schüttgut - Google Patents

Verfahren und reaktor zur aufbereitung von kohlenstoffhaltigem schüttgut

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Publication number
EP2480349A1
EP2480349A1 EP10755191A EP10755191A EP2480349A1 EP 2480349 A1 EP2480349 A1 EP 2480349A1 EP 10755191 A EP10755191 A EP 10755191A EP 10755191 A EP10755191 A EP 10755191A EP 2480349 A1 EP2480349 A1 EP 2480349A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
reactor
bulk material
slag
impurities
zone
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10755191A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hubert Jaeger
Johann Daimer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SGL CFL CE GMBH
Original Assignee
SGL Carbon SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SGL Carbon SE filed Critical SGL Carbon SE
Publication of EP2480349A1 publication Critical patent/EP2480349A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B14/00—Crucible or pot furnaces
    • F27B14/06—Crucible or pot furnaces heated electrically, e.g. induction crucible furnaces with or without any other source of heat
    • F27B14/061—Induction furnaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G5/00—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor
    • F23G5/02—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor with pretreatment
    • F23G5/027—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor with pretreatment pyrolising or gasifying stage
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G7/00—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals
    • F23G7/003—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals for used articles

Definitions

  • the invention relates to a process for the treatment of carbonaceous bulk material containing impurities and to a reactor for carrying out the process.
  • Carbonaceous shaped articles find application in high temperature furnace liners or cathodes.
  • cathodes made of amorphous carbon, graphite-added amorphous carbon or graphite in electrolysis cells are also called “pots" are used for aluminum electrolysis at the end of the life of the cathodes, these fluorine and cyanide, and aluminum and / or aluminum compounds Due to stricter legal requirements, such spent carbon linings, also known as spent potlining (SPL), must not be stored in landfills without treatment, used as fuel or reused as raw material.
  • SPL spent potlining
  • a method for treating SPL is described, for example, in US Pat. No. 5,164,174.
  • a conventional rotary kiln is used, which is heated directly with a gas flame.
  • a gas flame In an oxidizing atmosphere, at least a majority of the carbon is converted to carbon monoxide and dioxide.
  • the carbon is consumed, and in addition there are large quantities of gases that make large dimensions of the rotary kiln and the subsequent gas purification stages necessary.
  • the object of the present invention is to provide a method by means of which spent potlining and carbonaceous stones can be processed with the aid of a small-volume reactor.
  • carbon-containing bulk material containing impurities is heated directly inductively for its preparation in a reactor.
  • Direct inductive heating is possible because the bulk material has such an electrical conductivity that frequencies of an induction heater couple into the bulk material and heat it directly, without the need for coupling into an additional medium.
  • the inventive method has the advantage that do not incur by combustion reactions large amounts of combustion gases that make a correspondingly large volume reactor required.
  • a reactor wall does not need to be heated, resulting in only a small heat loss across the reactor wall and thus a very high energy efficiency of the process.
  • treatment is understood to mean a treatment of carbonaceous stones, with which toxic impurities are removed from the stones and / or converted into non-toxic compounds, wherein this treatment is carried out to such an extent that these stones do not endanger the environment or people can be stored in landfills, used as raw material and / or used as fuel.
  • the carbon of the bulk material can be present, for example, as amorphous carbon, natural graphite, synthetic graphite or in any other arbitrary form. All that needs to be done is inductive coupling.
  • the bulk material contains at least one bulk material selected from the group consisting of broken cathodes from an aluminum melt recovery process, broken anodes, crushed carbon liners from a steelmelt, a steel blast furnace or other metal smelting furnace, a glass melting furnace, a ceramic melting furnace, and other carbonaceous bricks to be processed.
  • the impurities may contain at least one impurity selected from the group consisting of cyanides and soluble fluorides.
  • these impurities accumulate in the cell lining during molten aluminum electrolysis and are toxic contaminants that prevent storage or reuse of the bulk material.
  • the impurities may also contain, for example, sulfur and / or alkalis, such as Na and Ka, and non-ferrous metals, such as Zn.
  • bulk material which has over 50 wt .-%, a particle size of about 30 mm, in particular to over 50 wt .-%, a particle size between 50 and 150 mm.
  • inductive fields couple very well into the bulk material.
  • Such high particle sizes have the advantage that not consuming and therefore energy and cost intensive grinding steps are required, but relatively coarse cracked bulk material can be used.
  • the bulk material can be obtained by breaking up reprocessed moldings and / or bricks with an example conventional crusher.
  • This may advantageously be a jaw crusher, cone crusher, gyratory crusher or similar crusher. These are suitable for achieving desired coarse grain sizes and are readily available as conventionally used crushers.
  • carbonaceous stones to be crushed into bulk material are broken out of an SPL, a cathode block, a furnace lining or a similar installation situation prior to breaking.
  • a substantially regular arrangement of stones at a place of their use in which they fulfill their task, such as high-temperature resistance and containing a melt understood.
  • the bricks need not be removed one by one, but can be "mined", for example, by conventional machines which are conventionally used for demolishing the building, enabling the bulk material to be obtained with little effort and therefore at low cost and in a short time frame.
  • the impurities may contain aluminum.
  • the aluminum may be present in metallic form, as an oxide, as a carbide and / or in another chemical compound. Particularly in aluminum-melt electrolysis, a carbon lining or a cathode is contaminated with aluminum as a metal or as a chemical compound.
  • the impurities may contain iron.
  • the iron can be present in metallic form, as oxide, as carbide and / or in another chemical compound.
  • a carbon lining becomes contaminated with iron as a metal or as a chemical compound.
  • induction fields are generated with frequencies between 1 and 50 kHz, in particular between 1 and 10 kHz, in particular between 2 and 5 kHz. At these low frequencies, the induction fields couple well into coarse grains. Maximum temperatures up to 2500 ° C can be generated in the reactor. This is possible by the direct coupling of the induction fields in the bulk material.
  • maximum temperatures between 1250 and 1800 ° C., in particular between 1300 and 1750 ° C., in particular between 1450 and 1700 ° C., are preferably set. These temperatures are high enough that cyanides decompose under the action of water vapor, which starts at around 700 ° C and cyanides are cracked and AIF3 is sublimated, which starts at around 1300 ° C. In contrast, these temperatures are low enough that no or at least hardly forms silicon carbide, because from a thermodynamic point of view, the formation of SiC begins only from 1700 ° C.
  • At least a portion of the contaminants may be dissolved in an existing and / or forming slag in the process.
  • This slag can be formed from the already existing impurities with Al compounds and / or Fe compounds as main constituents.
  • At least one slag image and / or a flux are added to the reactor.
  • Slag formers facilitate the formation of a slag, fluxes lower their viscosity, so that the slag can flow more easily and thereby absorb impurities. Impurities present on a surface of the bulk material can thus be washed off the bulk material by means of the slag.
  • a calcium-containing compound such as CaO, CaCO 3 or dolomite, and / or a silicon-containing compound such as SiO 2 or a silicate, and / or an iron-containing compound such as an iron oxide or Iron ore, added.
  • Si compounds can act as flux.
  • a slag can form even in the absence of aluminum.
  • the said added compounds can advantageously also as Slag to be added.
  • Iron-containing compounds are suitable, for example, to bind sulfur present as an impurity as iron sulfide.
  • the slag can advantageously flow into a lower zone of the reactor, where it collects and is removed from there. This allows the process to be carried out continuously.
  • the slag can be mixed with bulk material.
  • the slag may at least partially solidify in the lower zone. This occurs, for example, in that the lower zone is not inductively heated. Nevertheless, in addition to the solidified slag in the lower zone, there may also be a liquid fraction of slag.
  • the slag is removed. This can be done by means of a slider and / or a crusher. After removal, bulk material and slag advantageously slip into the lower zone.
  • water and / or water vapor is introduced at least in one zone of the reactor. This can be done by atomizing or misting.
  • water and / or water vapor are also only referred to as water, which may of course be present in gaseous and / or vapor form at the corresponding temperatures.
  • chemical compounds can be hydrolytically and / or pyrohydrolytically decomposed.
  • cyanides can be decomposed pyrohydrolytically.
  • bulk material and / or additives can be introduced into the reactor in a moist state.
  • the water thus introduced can also fulfill the functions described above.
  • moist bulk material induction fields can be coupled as described for dry bulk material.
  • the slag and the carbonaceous bulk material can be separated from one another by quenching with water. This can advantageously be done in the lower zone and / or a lower region of a central zone of the reactor, where the slag melt, especially in a low-viscosity state, strongly wets the bulk material.
  • By contact with water slag and bulk material are cooled quickly, which leads to mechanical stresses that can cause a slipping of the slag from the bulk material. This has the advantage that in a mixture taken from the reactor slag and bulk material, although juxtaposed, but already separated from each other.
  • Slag and processed bulk material can be separated from one another by conventional methods, for example by flotation methods.
  • the slag and the then cleaned bulk material can be reused after removal.
  • the slag can be used as an additive for example in construction materials, such as cement. For this purpose, it is advantageously ground.
  • the carbonaceous bulk material can be used for example as a fuel.
  • the carbonaceous bulk material can be used as a material in, for example, wear liners, such as gutters. This is possible because the bulk material after the process still has a very high strength and has retained its graininess.
  • the carbon of the bulk material can be used for all other applications in which conventional carbon is used that has not already been industrially used and subsequently processed.
  • at least part of the impurities is advantageously converted into a gas phase. This facilitates removal of the contaminants.
  • Sublimating compounds such as AIF 3 , - Melting and evaporation of compounds such as reduced alkali and non-ferrous metals and their compounds, in particular zinc and zinc compounds.
  • Impurities transferred into a gaseous phase are advantageously washed out with a liquid, in particular water.
  • a washing out of gaseous compounds is advantageously carried out spatially separated from the reactor space, for example in a gas scrubber, such as a sprinkler tower, which is connected to the reactor space.
  • the object of the present invention is further achieved with the features of the reactor according to claim 22.
  • Advantageous developments are specified in the dependent claims 23 to 33.
  • the reactor has induction coils which are suitable for directly heating the bulk material inductively.
  • the induction coils are suitable for setting a predetermined temperature gradient in the radial and / or axial direction of the reactor.
  • a temperature gradient can be used selectively to control the inventive method.
  • the induction coils are suitable for heating the bulk material without temperature gradients or with a low temperature gradient.
  • a radial temperature gradient is possible which is less than 100 K / m, in particular less than 50 K / m, in particular less than 30 K / m.
  • the reactor has a high-temperature-resistant inner wall into which the induction fields generated by the induction coils at the frequencies used for heating the bulk material do not or at least hardly couple. This reduces the temperature load on the inner wall and significantly increases their life expectancy compared to conventional heaters.
  • the inner wall may have a lining containing at least one of carbon, oxidic refractory, non-oxidic refractories and chamotte.
  • the lining has clay-bonded graphite. Despite the high carbon content, clay-bound graphite has such a low electrical conductivity that it can not be heated inductively.
  • the reactor has a reactor space which has an upper zone, a middle zone and a lower zone in the axial direction, the reactor in particular being designed so that bulk material to be processed in the upper zone can be introduced, the middle zone is provided with the at least partially extending around the reactor induction coil and accumulate in the lower zone slag and / or purified bulk material and can be removed from it.
  • a continuous process can be carried out with the reactor.
  • the reactor has a diameter of more than 50 cm in the region of the induction coils in order to achieve the highest possible throughput.
  • the diameter is greater than 1 m, in particular 1 m up to 1, 5 m.
  • the reactor may be designed to widen conically downwards in the lower zone and / or in a lower region of the middle zone. This facilitates a slipping of bulk material and slag down.
  • the reactor has an entry lock, such as a cell sluice, over which the reactor can be supplied with bulk material, the entry lock is suitable, an uncontrolled escape of gases to prevent the reactor.
  • the entry lock is suitable, an uncontrolled escape of gases to prevent the reactor.
  • bulk material and additives and any other necessary substances may be added to the reactor space without uncontrolled escape of gases.
  • a gas scrubber connected to the reactor space such as a sprinkler tower, may be provided, which is suitable for washing out impurities transferred into a gaseous phase with a liquid, such as water.
  • gaseous toxic compounds can be liquid bound from the gas phase and condense due to a low temperature in the gas scrubber. Large volumes of gas can be reduced to smaller amounts of liquid.
  • the gas scrubber further, in particular chemical, processes can take place.
  • zinc can be oxidized with steam to zinc oxide and then filtered off.
  • At least one injection device can be provided in the reactor which is suitable for introducing water and / or water vapor into the reactor space in at least one of the upper, middle and lower zones.
  • water can be brought directly to the impurities, so that the above-described reactions run faster.
  • At least one induction coil is cooled. Since the induction fields do not couple into the reactor wall, they are not heated directly and therefore do not need to be actively cooled. However, the reactor wall is advantageously cooled by convection.
  • a reactor 1 shows a schematic representation of a reactor according to the invention.
  • a reactor 1 according to the invention has a reactor space 2 with a diameter of 1.5 m, around which induction coils 3 are arranged, which are suitable at frequencies between 1 and 50 kHz and which contain carbonaceous bulk material 4 present in the reactor space 2 Heat temperatures up to 1800 ° C.
  • the reactor space 2 is surrounded by a high-temperature-resistant lining 5 of a reactor wall 6.
  • the lining 5 is made of firebricks.
  • all other high temperature resistant materials are suitable which do not couple to a field generated by the induction coils 3, such as clay-bonded carbon.
  • the reactor 1 has an upper zone 7, a middle zone 8 and a lower zone 9.
  • a filling opening 10 is provided, via which bulk material 4, slag formers, flow formers and the like can be introduced into the reactor space 2.
  • a rotary feeder is set as an entry lock 1 1 on the filling opening 10.
  • the induction coils 3 are provided in the central zone 8.
  • a slide 23 is provided, which acts as a breaker for breaking slag and bulk material 4 for their removal.
  • the upper zone 7 is provided with a connecting piece 13, which connects the reactor space 2 with a sprinkler tower 14, which acts as a gas scrubber 14.
  • a sprinkler tower 14 which acts as a gas scrubber 14.
  • at least one water nozzle 15 is provided for injecting water into the sprinkler tower 14. Trapped water 17 can be discharged via a valve 16.
  • bulk material 4 For operation of the reactor 1, bulk material 4, together with, for example, slag from the blast furnace as slag former and flux, is filled into the reactor space 2 via the rotary valve 11. Slag formers, as well as fluxes can also be added as individual components.
  • the bulk material 4 is in this example cathode outbreak from a Aluminiumschmelzelektrolysezelle.
  • the Bulk material 4 is except with chamotte, which was at the outbreak of the cathode from the aluminum smelting electrolysis cell in the bulk material 4, contaminated with metallic aluminum and aluminum compounds, with sodium cyanide and soluble fluorine compounds.
  • the induction coils 3 heat the contaminated bulk material 4 directly inductively by coupling the induction fields directly into the cathode outbreak.
  • the slag and the flux are heated.
  • a liquid slag is formed, into which the aluminum impurities also melt. Due to the flux, the viscosity of the slag is lowered so that the slag flows into the lower zone of the reactor 1.
  • the slag also transports the chamotte.
  • the slag cools down.
  • the slag is additionally cooled by the water cooling 12 and solidifies.
  • steam 21 is injected into the upper zone 7 via a nozzle.
  • the water vapor 21 causes in the reactor chamber 2 a pyrohydrolysis of the existing cyanides already from about 700 ° C. In particular, carbon monoxide, nitrogen and hydrogen are formed. Furthermore, the water vapor 21 in the lower zone leads to a quenching of the slag, whereby it is blasted off of the bulk material 4. About the slider 23, the brittle slag is broken and the lower zone 9 taken. Slag and purified bulk material can then be separated by conventional separation methods due to their density difference.
  • the cleaned carbonaceous bulk material can be used, for example, as an additive for building materials, such as cement.
  • the carbon of the bulk material may be used as fuel or for use in, for example, wear liners such as gutters.
  • Washed fluorine compounds in the water 17 of the sprinkling tower 14, which is taken over the valve 16, can also be reused, for example, by returning to an aluminum electrolysis to adjust the ratio of NaF to AIF 3 in the melt.
  • the method according to the invention was simulated in a miniature structure (not shown).
  • the reactor used was a clay-bonded graphite crucible with a diameter of 150 mm and a height of 200 mm.
  • An induction coil operated at 4 kHz heats an amorphous carbon cathode fracture material having an anthracite content of about 60% by weight as a bulk material.
  • the bulk material was heated to 1600 ° C in 45 min.
  • the resulting exhaust gases were sucked off and condensed in a filter unit with rock wool fibers.
  • the fluorine and cyanide contents before and after heating the bulk material were analyzed by wet chemistry and by X-ray fluorescence analysis. Likewise, the bulk material was analyzed before and after heating.
  • the slag-forming components can be derived from both the impurities and the added slag-forming agent. Depending on the provenance of the carbonaceous stones and thus of the impurities, if slag-forming constituents are present as impurities, they must no longer be added as slag formers. A treatment can also be carried out without slag formation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung von Verunreinigungen enthaltendem kohlenstoffhaltigem Schüttgut. Erfindungsgemäß wird das Schüttgut in einem Reaktor induktiv direkt geheizt.

Description

Verfahren und Reaktor zur Aufbereitung von kohlenstoffhaltigem Schüttgut
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung von Verunreinigungen enthaltendem kohlenstoffhaltigem Schüttgut und einen Reaktor zur Durchführung des Verfahrens.
Kohlenstoffhaltige Formkörper, wie etwa Ofenauskleidungssteine, finden für hochtemperaturbeständige Ofenauskleidungen oder als Kathoden Anwendung. Beispielsweise werden Kathoden aus amorphem Kohlenstoff, amorphem Kohlenstoff mit Graphitzusatz oder aus Graphit in Elektrolysezellen (wobei Elektrolysezellen auch„pots" genannt werden) zur Aluminiumschmelzelektrolyse eingesetzt. Am Ende der Lebensdauer der Kathoden weisen diese Fluor- und Cyanidverbindungen, sowie Aluminium und/oder Aluminiumverbindungen als Verunreinigungen auf. Aufgrund strenger werdender gesetzlicher Auflagen dürfen derartige verbrauchte Kohlenstoffauskleidungen, auch„spent potlining (SPL)" genannt, nicht ohne Aufbe- reitung auf Deponien gelagert, als Brennstoff eingesetzt oder als Rohstoff wieder verwendet werden.
Ein Verfahren zur Behandlung von SPL ist beispielsweise in der US-Patentschrift US 5164174 beschrieben. Dabei wird ein herkömmlicher Drehrohrofen eingesetzt, der direkt mit einer Gasflamme beheizt wird. In oxidierender Atmosphäre wird zumindest ein Großteil des Kohlenstoffs in Kohlenmonoxid und -dioxid umgewandelt. Dadurch wird der Kohlenstoff verbraucht, und es fallen darüber hinaus große Mengen an Gasen an, die große Abmessungen des Drehrohrofens und der nachfolgenden Gasreinigungsstufen nötig machen.
Bei der US 5286274 wird ein geschlossener Elektroschmelzofen verwendet. Ein Nachteil dabei sind die Dimensionen der Anlagen, die zumindest für einzelne Hütten zu groß ausgelegt sind und die ein weit ausgelegtes Logistiknetz benötigen. Bei diesem Verfahren wird ein beträchtlicher Teil des Kohlenstoffs direkt zu CO2 oxi- diert und somit einer weiteren Verwertung entzogen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren anzugeben, mit dem spent potlining und kohlenstoffhaltige Steine mit Hilfe eines kleinvolumigen Reaktors aufbereitet werden können.
Gelöst wird die Aufgabe mit sämtlichen Merkmalen des Verfahrens nach Anspruch 1 . Weiterbildende Ausbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 21 angegeben.
Erfindungswesentlich ist, dass Verunreinigungen enthaltendes kohlenstoffhaltiges Schüttgut zu seiner Aufbereitung in einem Reaktor direkt induktiv geheizt wird. Ein direktes induktives Heizen ist dadurch möglich, dass das Schüttgut eine derartige elektrische Leitfähigkeit aufweist, dass Frequenzen einer Induktionsheizung in das Schüttgut einkoppeln und dieses direkt beheizen, ohne dass ein Einkoppeln in ein zusätzliches Medium nötig wäre. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass nicht durch Verbrennungsreaktionen große Mengen an Verbrennungsgasen anfallen, die einen entsprechend großvolumigen Reaktor erforderlich machen. Darüber hinaus muss eine Reaktorwandung nicht beheizt werden, was nur einen geringen Wärmeverlust über die Reaktorwandung und somit eine sehr hohe Energieeffizienz des Verfahrens zur Folge hat.
Unter Aufbereiten wird im Rahmen der Erfindung eine Behandlung von kohlen- stoffhaltigen Steinen verstanden, mit der toxische Verunreinigungen aus den Steinen entfernt werden und/oder in nicht-toxische Verbindungen umgewandelt werden, wobei diese Behandlung soweit durchgeführt wird, dass diese Steine ohne Gefährdung von Umwelt oder Menschen auf Deponien gelagert, als Rohstoff wieder verwendet und/oder als Brennstoff eingesetzt werden können.
Der Kohlenstoff des Schüttguts kann beispielsweise als amorpher Kohlenstoff, natürlicher Graphit, synthetischer Graphit oder in jeder anderen beliebigen Form vorliegen. Es muss lediglich eine induktive Einkopplung erfolgen können. Vorzugsweise enthält das Schüttgut zumindest ein Schüttgut aus der Gruppe bestehend aus gebrochenen Kathoden aus einem Aluminiumschmelzgewinnungs- verfahren, gebrochenen Anoden, gebrochenen Kohlenstoffauskleidungen aus ei- nem Stahlschmelzoffen, einem Stahlhochofen oder einem anderen Metallschmelzofen, einem Glasschmelzofen, einem Keramikschmelzofen und anderen aufzubereitenden kohlenstoffhaltigen Steinen.
Die Verunreinigungen können zumindest eine Verunreinigung aus der Gruppe be- stehend aus Cyaniden und löslichen Fluoriden enthalten. Diese Verunreinigungen sammeln sich beispielsweise bei einer Aluminiumschmelzelektrolyse in der Zellenauskleidung an und stellen toxische Verunreinigungen dar, die eine Lagerung oder Wiederverwendung des Schüttguts verhindern. Die Verunreinigungen können aber beispielsweise auch Schwefel und/oder Alkalien, wie etwa Na und Ka, sowie Buntmetalle, wie etwa Zn, enthalten.
Vorteilhafterweise wird Schüttgut eingesetzt, das zu über 50 Gew.-% eine Korngröße von über 30 mm besitzt, insbesondere zu über 50 Gew.-% eine Korngröße zwischen 50 und 150 mm. Bei derartigen Korngrößen hat sich im Rahmen der Erfindung gezeigt, dass induktive Felder sehr gut in das Schüttgut einkoppeln. Derart hohe Korngrößen haben darüber den Vorteil, dass nicht aufwändige und damit energie- und kostenintensive Mahlschritte nötigt sind, sondern relativ grob gebrochenes Schüttgut eingesetzt werden kann.
Dabei kann jedoch ein Feinanteil von kleiner als 50 mm, insbesondere kleiner als 30, insbesondere kleiner als 10 mm im Schüttgut verbleiben. Selbst als Staub vorliegender Feinanteil kann im Schüttgut verbleiben. Der Feinanteil wird durch den Grobanteil indirekt mit geheizt. Dies macht ein Trennen von Fein- und Grobanteil des Schüttguts vor der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unnötig.
Das Schüttgut kann durch Brechen von aufzubereitenden Formkörpern und/oder Steinen mit einem beispielsweise herkömmlichen Brecher gewonnen werden. Dies kann vorteilhafterweise ein Backenbrecher, Kegelbrecher, Kreiselbrecher oder ähnlicher Brecher sein. Diese sind geeignet, gewünschte grobe Korngrößen zu erzielen und sind als herkömmlich eingesetzte Brecher leicht verfügbar. Nach einem Aspekt der Erfindung werden zu Schüttgut zu brechende kohlenstoffhaltige Steine vor dem Brechen aus einem SPL, einem Kathodenblock, einer Ofenauskleidung oder einer ähnlichen Einbausituation ausgebrochen. Unter einer ähnlichen Einbausituation wird im Sinne der Erfindung eine im Wesentlichen regelmäßige Anordnung von Steinen an einem Ort ihres Einsatzes, in dem sie ihre Aufgabe, wie etwa Hochtemperaturbeständigkeit und Enthalten einer Schmelze, erfüllen, verstanden. Die Steine müssen somit nicht einzeln entnommen werden, sondern können beispielsweise mit herkömmlichen Maschinen, die herkömmlicherweise etwa zum Gebäudeabbruch verwendet werden,„abgebaut" werden. Dies ermöglicht eine Gewinnung des Schüttguts mit geringem Aufwand und daher geringen Kosten und in einem kurzen Zeitrahmen.
Die Verunreinigungen können Aluminium enthalten. Dabei kann das Aluminium in metallischer Form, als Oxid, als Carbid und/oder in einer anderen chemischen Verbindung vorliegen. Insbesondere bei der Aluminiumschmelzelektrolyse wird eine Kohlenstoffauskleidung oder eine Kathode mit Aluminium als Metall oder als eine chemische Verbindung verunreinigt.
Die Verunreinigungen können Eisen enthalten. Dabei kann das Eisen in metallischer Form, als Oxid, als Carbid und/oder in einer anderen chemischen Verbin- dung vorliegen. Insbesondere bei der Stahlgewinnung oder Stahlschmelzverfahren wird eine Kohlenstoffauskleidung mit Eisen als Metall oder als eine chemische Verbindung verunreinigt.
Vorteilhafterweise werden Induktionsfelder mit Frequenzen zwischen 1 und 50 kHz, insbesondere zwischen 1 und 10 kHz, insbesondere zwischen 2 und 5 kHz erzeugt. Bei diesen tiefen Frequenzen koppeln die Induktionsfelder besonders gut in grobe Körner ein. Im Reaktor können maximale Temperaturen bis 2500 °C erzeugt werden. Dies ist durch die direkte Einkopplung der Induktionsfelder in das Schüttgut möglich.
Bevorzugt werden im Reaktor maximale Temperaturen zwischen 1250 und 1800 °C, insbesondere zwischen 1300 und 1750 °C, insbesondere zwischen 1450 und 1700 °C eingestellt. Diese Temperaturen sind hoch genug, dass sich Cyanide unter Einwirkung von Wasserdampf zersetzen, was ab ca. 700 °C einsetzt und Cyanide gecrackt werden und AIF3 sublimiert wird, was jeweils ab ca. 1300 °C einsetzt. Dagegen sind diese Temperaturen niedrig genug, dass sich kein oder zumindest kaum Siliciumcarbid bildet, denn aus thermodynamischer Sicht beginnt die Bildung von SiC erst ab 1700 °C.
Bei dem Verfahren kann zumindest ein Teil der Verunreinigungen in einer vorhandenen und/oder einer sich im Verfahren bildenden Schlacke gelöst. Diese Schlacke kann sich aus den bereits vorhandenen Verunreinigungen mit AI-Verbindungen und/oder Fe-Verbindungen als Hauptbestandteile bilden.
Vorteilhafterweise werden in den Reaktor zumindest ein Schlackebilder und/oder ein Flussmittel zugegeben. Schlackebildner erleichtern die Bildung einer Schlacke, Flussmittel erniedrigen deren Viskosität, so dass die Schlacke leichter fließen und dabei Verunreinigungen aufnehmen kann. Auf einer Oberfläche des Schüttguts vorliegende Verunreinigungen können somit mittels der Schlacke vom Schüttgut abgewaschen werden. Nach einer möglichen Ausführungsform der Erfindung wird in den Reaktor eine calciumhaltige Verbindung, wie etwa CaO, CaCO3 oder Dolomit, und/oder eine sili- ciumhaltige Verbindung, wie etwa S1O2 oder ein Silicat, und/oder eine eisenhaltige Verbindung, wie etwa ein Eisenoxid oder Eisenerz, zugegeben. Diese bilden zusammen mit den gegebenenfalls vorliegenden Aluminiumverbindungen des Schütt- guts eine Schlacke. Dabei können beispielsweise Si-Verbindungen als Flussmittel wirken. Im Fall des Einsatzes von Schüttgut, das nicht aus der Aluminiumproduktion stammt, kann sich eine Schlacke auch in Abwesenheit von Aluminium bilden. Die genannten zugegebenen Verbindungen können vorteilhafterweise auch als Schlacke zugegeben werden. Eisenhaltige Verbindungen sind beispielsweise dazu geeignet, als Verunreinigung vorliegenden Schwefel als Eisensulfid zu binden.
Die Schlacke kann vorteilhafterweise in eine untere Zone des Reaktors fließen, wo sie sich sammelt und von dort entnommen wird. Dadurch kann das Verfahren kontinuierlich durchgeführt werden. Dabei kann die Schlacke mit Schüttgut vermischt sein.
Die Schlacke kann in der unteren Zone zumindest teilweise erstarren. Dies tritt bei- spielsweise dadurch ein, dass die untere Zone nicht induktiv beheizt wird. Dennoch kann zusätzlich zu der erstarrten Schlacke in der unteren Zone auch ein flüssiger Anteil an Schlacke vorliegen.
Aus der unteren Zone wird die Schlacke entnommen. Dies kann mittels eines Schiebers und/oder eines Brechers durchgeführt werden. Nach der Entnahme rutschen Schüttgut und Schlacke vorteilhafterweise in die untere Zone nach.
Vorzugsweise wird zumindest in einer Zone des Reaktors Wasser und/oder Wasserdampf eingebracht. Dies kann etwa durch Zerstäuben oder Vernebeln gesche- hen. Im Folgenden werden Wasser und/oder Wasserdampf auch lediglich mit Wasser bezeichnet, das bei den entsprechenden Temperaturen natürlich gas- und/oder dampfförmig vorliegen kann.
Das Einbringen von Wasser kann vorteilhafterweise mehrere Funktionen erfüllen. So können chemische Verbindungen hydrolytisch und/oder pyrohydrolytisch zersetzt werden. Beispielsweise können Cyanide pyrohydrolytisch zersetzt werden.
Des Weiteren können Schüttgut und/oder Zuschlagstoffe in einem feuchten Zustand in den Reaktor eingebracht werden. Das so eingebrachte Wasser kann ebenfalls die oben beschriebenen Funktionen erfüllen. In feuchtes Schüttgut können Induktionsfelder wie für trockenes Schüttgut beschrieben einkoppeln. Des Weiteren können die Schlacke und das kohlenstoffhaltige Schüttgut durch Abschrecken mit Wasser voneinander getrennt werden. Dies kann vorteilhafterweise in der unteren Zone und/oder einem unteren Bereich einer mittleren Zone des Reaktors geschehen, wo die Schlackenschmelze vor allem in einem niedrigviskosen Zustand das Schüttgut stark benetzt. Durch den Kontakt mit Wasser werden Schlacke und Schüttgut schnell abgekühlt, was zu mechanischen Spannungen führt, die ein Abplatzen der Schlacke vom Schüttgut bewirken können. Dies hat den Vorteil, dass in einer dem Reaktor entnommenen Mischung Schlacke und Schüttgut zwar nebeneinander, aber bereits voneinander getrennt vorliegen.
Schlacke und aufbereitetes Schüttgut können voneinander durch herkömmliche Verfahren voneinander getrennt werden, beispielsweise durch Flotationsverfahren.
Die Schlacke und das dann gereinigte Schüttgut können nach der Entnahme weiterverwendet werden. Die Schlacke kann als Zusatzstoff beispielsweise in Bau- Stoffen, wie etwa Zement, eingesetzt werden. Dazu wird sie vorteilhafterweise aufgemahlen. Das kohlenstoffhaltige Schüttgut kann beispielsweise als Brennstoff eingesetzt werden. Alternativ kann das kohlenstoffhaltige Schüttgut als Material beispielsweise in Verschleißauskleidungen, wie etwa in Rinnen, eingesetzt werden. Dies ist dadurch möglich, dass das Schüttgut nach dem Verfahren noch eine sehr hohe Festigkeit aufweist und seine Körnigkeit behalten hat. Selbstverständlich kann der Kohlenstoff des Schüttguts für alle weiteren Anwendungen eingesetzt werden, in denen herkömmlicher Kohlenstoff verwendet wird, der nicht bereits industriell verwendet und anschließend aufbereitet wurde. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorteilhafterweise zumindest ein Teil der Verunreinigungen in eine Gasphase überführt. Dies erleichtert ein Entfernen der Verunreinigungen.
Beispielsweise wird zumindest einer der folgenden Schritte durchgeführt:
- Pyrohydrolytisches Zersetzen von Verbindungen, wie etwa Cyaniden,
- Cracken von Verbindungen, wie etwa Cyaniden,
- Sublimieren von Verbindungen, wie etwa AIF3, - Schmelzen und Verdampfen von Verbindungen, wie etwa reduzierter Alkali- sowie Buntmetalle und deren Verbindungen, insbesondere Zink und Zinkverbindungen. In eine gasförmige Phase überführte Verunreinigungen werden vorteilhafterweise mit einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser, ausgewaschen. Ein Auswaschen von gasförmigen Verbindungen erfolgt vorteilhafterweise räumlich getrennt von dem Reaktorraum, beispielsweise in einem Gaswäscher, wie etwa einem Berieselungsturm, der mit dem Reaktorraum verbunden ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird des Weiteren mit den Merkmalen des Reaktors nach Anspruch 22 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen 23 bis 33 angegeben. Der Reaktor weist Induktionsspulen auf, die geeignet sind, das Schüttgut direkt induktiv aufzuheizen.
Vorteilhafterweise sind die Induktionsspulen geeignet, in radialer und/oder axialer Richtung des Reaktors einen vorbestimmten Temperaturgradienten einzustellen. Ein Temperaturgradient kann gezielt eingesetzt werden, das erfindungsgemäße Verfahren zu steuern.
Vorteilhafterweise sind die Induktionsspulen geeignet, das Schüttgut ohne Temperaturgradienten bzw. mit einem geringen Temperaturgradienten zu heizen. Ins- besondere ist ein radialer Temperaturgradient möglich, der kleiner als 100 K/m, insbesondere kleiner als 50 K/m, insbesondere kleiner als 30 K/m ist.
Vorteilhafterweise weist der Reaktor eine hochtemperaturbeständige Innenwandung auf, in die die bei den zum Heizen des Schüttguts eingesetzten Frequenzen von den Induktionsspulen erzeugten Induktionsfelder nicht oder zumindest kaum einkoppeln. Dies verringert die Temperaturbelastung der Innenwandung und verlängert deren Lebenserwartung gegenüber konventionellen Heizungen deutlich. Die Innenwandung kann eine Auskleidung aufweisen, die zumindest ein Material aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstoff, oxidischen Feuerfestmaterialien, nicht- oxidischen Feuerfestmaterialien und Schamotte enthält. Vorteilhafterweise weist die Auskleidung tongebundenen Graphit auf. Trotz des hohen Kohlenstoffgehalts weist tongebundener Graphit eine so niedrige elektrische Leitfähigkeit auf, dass er nicht induktiv geheizt werden kann.
Vorteilhafterweise weist der Reaktor einen Reaktorraum auf, der in axialer Rich- tung eine obere Zone, eine mittlere Zone und eine untere Zone aufweist, wobei der Reaktor insbesondere derart ausgebildet sein kann, dass in die obere Zone aufzubereitendes Schüttgut eingebracht werden kann, die mittlere Zone mit den zumindest teilweise um den Reaktor verlaufenden Induktionsspulen versehen ist und sich in der unteren Zone Schlacke und/oder gereinigtes Schüttgut ansammeln und aus ihr entnommen werden kann. Somit kann mit dem Reaktor ein kontinuierliches Verfahren durchgeführt werden.
Vorteilhafterweise besitzt der Reaktor im Bereich der Induktionsspulen einen Durchmesser von über 50 cm, um einen möglichst hohen Durchsatz zu erreichen. Vorteilhafterweise ist der Durchmesser größer als 1 m, insbesondere 1 m bis zu 1 ,5 m. Ein derart großer Reaktor in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen direkten induktiven Heizen ermöglicht hohe Durchsatzmengen. Durch das Verfahren des induktiven Heizens in Verbindung mit niedrigen Frequenzen und grober Korngröße des Schüttguts erhitzt sich das Schüttgut deutlich schneller als durch kon- ventionelles Heizen, was ein energie- und kosteneffizientes Aufbereiten ermöglicht.
Der Reaktor kann in der unteren Zone und/oder in einem unteren Bereich der mittleren Zone sich nach unten konisch erweiternd ausgebildet sein. Dies erleichtert ein Rutschen von Schüttgut und Schlacke nach unten.
Vorteilhafterweise weist der Reaktor eine Eintragschleuse, wie etwa eine Zellen- radschleuse, auf, über die der Reaktor mit Schüttgut versorgt werden kann, wobei die Eintragschleuse geeignet ist, ein unkontrolliertes Entweichen von Gasen aus dem Reaktor zu verhindern. Somit können Schüttgut und Zuschlagstoffe und weitere gegebenenfalls erforderliche Stoffe in den Reaktorraum gegeben werden, ohne dass unkontrolliert Gase entweichen. Des Weiteren kann ein mit dem Reaktorraum verbundener Gaswäscher, wie beispielsweise ein Berieselungsturm, vorgesehen sein, der geeignet ist, in eine gasförmige Phase überführte Verunreinigungen mit einer Flüssigkeit, wie etwa Wasser, auszuwaschen. In dem Gaswäscher können gasförmige toxische Verbindungen aus der Gasphase flüssig gebunden werden und aufgrund einer niedrigen Temperatur im Gaswäscher kondensieren. Großvolumige Gasmengen können dabei zu kleineren Flüssigkeitsmengen reduziert werden. Im Gaswäscher können noch weitere, insbesondere chemische, Vorgänge ablaufen. So kann in einer gasförmigen Verbindung vorliegendes Zink mit Wasserdampf zu Zinkoxid oxidiert werden und anschließend abfiltriert werden.
Vorteilhafterweise kann im Reaktor zumindest eine Eindüsvorrichtung vorgesehen sein, die geeignet ist, in wenigstens einer der oberen, mittleren und unteren Zone Wasser und/oder Wasserdampf in den Reaktorraum einzubringen. Dadurch kann Wasser direkt zu den Verunreinigungen gebracht werden, so dass die oben be- schriebenen Reaktionen schneller verlaufen.
Vorteilhafterweise ist zumindest eine Induktionsspule gekühlt. Da die Induktionsfelder nicht in die Reaktorwandung einkoppeln, wird diese nicht direkt beheizt und muss daher nicht aktiv gekühlt werden. Die Reaktorwandung wird jedoch vorteil- hafterweise durch Konvektion gekühlt.
Weitere vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung werden im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und einer dazugehörigen Figur erläutert.
Dabei zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Reaktors. Ein erfindungsgemäßer Reaktor 1 besitzt einen Reaktorraum 2 mit einem Durchmesser von 1 ,5 m, um den zumindest teilweise den Reaktorraum 2 umgebend Induktionsspulen 3 angeordnet sind, die geeignet sind, mit Frequenzen zwischen 1 und 50 kHz ein im Reaktorraum 2 vorliegendes kohlenstoffhaltiges Schüttgut 4 auf Temperaturen bis zu 1800 °C aufzuheizen. Der Reaktorraum 2 ist mit einer hochtemperaturbeständigen Auskleidung 5 einer Reaktorwandung 6 umgeben. In diesem Ausführungsbeispiel besteht die Auskleidung 5 aus Schamottesteinen. Es sind jedoch alle anderen hochtemperaturbeständigen Materialien geeignet, in die nicht ein von den Induktionsspulen 3 erzeugtes Feld einkoppelt, wie etwa tongebunde- ner Kohlenstoff. Der Reaktor 1 besitzt eine obere Zone 7, eine mittlere Zone 8 und eine untere Zone 9.
An der oberen Zone 7 ist eine Einfüllöffnung 10 vorgesehen, über die Schüttgut 4, Schlackebildner, Flussbildner und ähnliches in den Reaktorraum 2 aufgegeben werden kann. Um ein Entweichen von Gasen aus dem Reaktorraum 2 zu verhindern, ist auf die Einfüllöffnung 10 eine Zellenradschleuse als Eintragschleuse 1 1 gesetzt.
Die Induktionsspulen 3 sind in der mittleren Zone 8 vorgesehen. In der unteren Zone 9 ist ein Schieber 23 vorgesehen, der als Brecher zum Brechen von Schlacke und Schüttgut 4 für deren Entnahme wirkt.
Die obere Zone 7 ist mit einem Verbindungsstück 13 versehen, das den Reaktorraum 2 mit einem Berieselungsturm 14 verbindet, der als Gaswäscher 14 wirkt. Im Berieselungsturm 14 ist zumindest eine Wasserdüse 15 zum Eindüsen von Wasser in den Berieselungsturm 14 vorgesehen. Über ein Ventil 16 kann aufgefangenes Wasser 17 ausgelassen werden.
Zum Betrieb des Reaktors 1 wird über die Zellenradschleuse 1 1 Schüttgut 4 zu- sammen mit beispielsweise Schlacke aus dem Hochofen als Schlackenbildner und Flussmittel in den Reaktorraum 2 gefüllt. Schlackenbildner, sowie Flussmittel können auch als Einzelkomponenten zugegeben werden. Das Schüttgut 4 ist in diesem Beispiel Kathodenausbruch aus einer Aluminiumschmelzelektrolysezelle. Das Schüttgut 4 ist außer mit Schamotte, das beim Ausbruch der Kathoden aus der Aluminiumschmelzelektrolysezelle mit in das Schüttgut 4 gelangt war, mit metallischem Aluminium und Aluminiumverbindungen, mit Natriumcyanid und löslichen Fluorverbindungen verunreinigt.
Die Induktionsspulen 3 heizen das verunreinigte Schüttgut 4 direkt induktiv auf, indem die Induktionsfelder direkt in den Kathodenausbruch einkoppeln. Über das aufgeheizte Schüttgut 4 werden auch der Schlackenbildner und das Flussmittel aufgeheizt. In der mittleren Zone 8 entsteht eine flüssige Schlacke, in die auch die Aluminiumverunreinigungen einschmelzen. Durch das Flussmittel ist die Viskosität der Schlacke so erniedrigt, dass die Schlacke in die untere Zone des Reaktors 1 fließt. Die Schlacke transportiert dabei auch die Schamotte ab. In der unteren Zone 9, also außerhalb eines Wirkbereichs der Induktionsspulen 3, kühlt die Schlacke ab. In diesem Beispiel wird die Schlacke zusätzlich durch die Wasserkühlung 12 abgekühlt und erstarrt.
Durch die Temperatur von in diesem Beispiel 1750 °C in der mittleren Zone 8 werden das Cyanid und die Fluorverbindungen aus dem Schüttgut 4 getrieben und gehen in die Gasphase über, bzw. zersetzen sich. Durch die Volumenausdehnung und Konvektion gelangen die gasförmigen Verunreinigungen über das Verbindungsstück 13 in den Berieselungsturm 14. Durch aus der Wasserdüse 15 herabrieselndes Wasser werden Cyanide und Fluorverbindungen gelöst und andere gasförmige Verbindungen kondensiert. Dadurch findet eine Volumenverkleinerung statt, die einen Gasstrom vom Reaktor 2 in den Berieselungsturm 14, der in Fig. 1 mit einem Pfeil 18 dargestellt ist, noch unterstützt.
In den Reaktorraum 2 wird über eine Düse 20 Wasserdampf 21 in die obere Zone 7 eingedüst. Der Wasserdampf 21 bewirkt im Reaktorraum 2 eine Pyrohydrolyse der vorhandenen Cyanide bereits ab ca. 700 °C. Dabei entstehen insbesondere Kohlenmonoxid, Stickstoff und Wasserstoff. Desweiteren führt der Wasserdampf 21 in der unteren Zone zu einem Abschrecken der Schlacke, wodurch diese vom Schüttgut 4 abgesprengt wird. Über den Schieber 23 wird die spröde Schlacke gebrochen und der unteren Zone 9 entnommen. Schlacke und gereinigtes Schüttgut können aufgrund ihres Dichteunterschieds anschließend mit herkömmlichen Trennverfahren voneinander getrennt werden. Das gereinigt kohlenstoffhaltige Schüttgut lässt sich beispielsweise als Zusatzstoff für Baustoffe, wie etwa Zement, einsetzen. Der Kohlenstoff des Schüttguts kann als Brennstoff oder für einen Einsatz beispielsweise in Verschleißauskleidungen, wie etwa Rinnen, verwendet werden. Ausgewaschene Fluorverbindungen im Wasser 17 des Berieselungsturms 14, das über das Ventil 16 entnommen wird, lassen sich ebenfalls wieder verwenden, beispielsweise durch Zurückführung in eine Alumini- umelektrolyse zur Einstellung des Verhältnisses von NaF zu AIF3 in der Schmelze.
In einem weiteren Beispiel wurde das erfindungsgemäße Verfahren in einem Miniaturaufbau simuliert (nicht dargestellt). Dabei wurde als Reaktor ein tongebundener Graphittiegel mit 150 mm Durchmesser und 200 mm Höhe verwendet. Eine Induktionsspule, die bei 4 kHz betrieben wird, erhitzt Bruchmaterial einer amorphen Kohlenstoffkathode mit einem Anthrazitanteil von etwa 60 Gew.-% als Schüttgut. Das Schüttgut wurde in 45 min auf 1600 °C aufgeheizt. Die entstehenden Abgase wurden abgesaugt und in einer Filtereinheit mit Steinwollefasern kondensiert. Der Fluor- und Cyanidgehalt vor und nach dem Erhitzen des Schüttguts wurde nass- chemisch und durch Röntgenfluoreszenzanalyse analysiert. Ebenso wurde das Schüttgut vor und nach dem Erhitzen analysiert. Es wurde ein Beginn der Ausdampfung von Verunreinigungen bei ca. 700 °C beobachtet. Desweiteren wurde ein Austreiben von NaF, NaCN, AI2O3 und AIF3 aus dem Kohlenstoff festgestellt, wobei sich diese Verbindungen auf den Oberflächen des Schüttguts fanden. Wur- den dem Schüttgut zusätzlich CaO und S1O2 zugegeben, bildete sich eine
Schlacke, die diese Verbindungen aufnahm und sich am Boden des Tiegels sammelten. Ein Eluat des Schüttguts enthielt vor der Erhitzung mehr als 1 mg/l an Cyanid, danach weniger als 0,01 mg/l. Somit ließ sich die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens und Reaktors eindeutig nachweisen. Alle in der Beschreibung, den Beispielen und Ansprüchen genannten Merkmale können in beliebiger Kombination zu der Erfindung beitragen. Insbesondere können die schlackebildenden Bestandteile sowohl aus den Verunreinigungen als auch aus dem zugegebenen Schlackebildner stammen. Je nach Provenienz der kohlenstoffhaltigen Steine und somit der Verunreinigungen müssen bei Vorliegen schlackebildender Bestandteile als Verunreinigung diese nicht mehr als Schlackebildner zugegeben werden. Eine Aufbereitung kann auch ohne Schlackebildung durchgeführt werden.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Aufbereitung von Verunreinigungen enthaltendem kohlenstoffhal- tigern Schüttgut, dadurch gekennzeichnet, dass das Schüttgut in einem Reaktor induktiv direkt geheizt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dass das Schüttgut zumindest ein Schüttgut aus der Gruppe bestehend aus gebrochenen Kathoden aus einem Aluminiumschmelzge- winnungsverfahren, gebrochenen Anoden, gebrochenen Kohlenstoffauskleidungen aus einem Stahlschmelzofen, einem Stahlhochofen oder einem anderen Metallschmelzofen, einem Glasschmelzofen, einem Keramikschmelzofen und anderen aufzubereitenden kohlenstoffhaltigen Steinen enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verunreinigungen zumindest eine Verunreinigung aus der Gruppe bestehend aus Cyaniden, Schwefel, löslichen Fluoriden, sowie Alkali- und Buntmetallen enthalten.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schüttgut eingesetzt wird, das zu über 50 Gew.-% eine
Korngröße von über 30 mm besitzt.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schüttgut eingesetzt wird, das zu über 50 Gew.-% eine Korngröße zwischen 50 und 150 mm besitzt.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schüttgut durch Brechen von aufzubereitenden Formkörpern und/oder Steinen mit einem Brecher, wie etwa mit einem Backenbrecher, Kegelbrecher oder Kreiselbrecher, gewonnen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Formkörper und/oder Steine vor dem Brechen aus einer Ofenauskleidung, einem Kathodenblock oder einer ähnlichen Einbausituation ausgebrochen werden.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verunreinigungen Aluminium in metallischer Form, als Oxid, als Carbid und/oder in einer anderen chemischen Verbindung enthalten.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verunreinigungen Eisen in metallischer Form, als Oxid, als Carbid und/oder in einer anderen chemischen Verbindung enthalten.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass induktiv mit Frequenzen zwischen 1 und 50 kHz, insbeson- dere zwischen 1 und 10 kHz, insbesondere zwischen 2 und 5 kHz geheizt wird.
1 1 . Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Reaktor maximale Temperaturen bis 2500 °C, insbesondere zwischen 1250 und 1800 °C, insbesondere zwischen 1300 und 1750 °C, ins- besondere zwischen 1450 und 1700 °C eingestellt sind.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Verunreinigungen in einer vorhandenen oder sich bildenden Schlacke gelöst wird.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Reaktor ein Schlackebilder und/oder ein Flussmittel zugegeben wird.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Reaktor eine calciumhaltige Verbindung, wie etwa CaO, CaCO3 oder Dolomit, und/oder eine siliciumhaltige Verbindung, wie etwa Si02 oder ein Silicat, und/oder eine eisenhaltige Verbindung, wie etwa ein Eisenoxid oder Eisenerz, zugegeben wird.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlacke in eine untere Zone des Reaktors fließt und von dort entnommen wird.
16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlacke in der unteren Zone zumindest teilweise erstarrt und der unteren Zone mittels eines Schiebers und/oder Brechers entnommen wird.
17. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einer Zone des Reaktors Wasser und/oder Wasserdampf eingebracht wird, etwa zerstäubt oder vernebelt wird.
18. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlacke von dem gereinigten kohlenstoffhaltigen Schüttgut durch Abschrecken mit Wasser getrennt wird.
19. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Verunreinigungen in eine Gasphase überführt wird.
20. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Schritte
- Pyrohydrolytisches Zersetzen von Verbindungen, wie etwa Cyaniden,
- Cracken von Verbindungen, wie etwa Cyaniden,
- Sublimieren von Verbindungen, wie etwa AIF3,
- Schmelzen und Verdampfen von Metallen und/oder Verbindungen, wie etwa reduzierten Alkali- und Buntmetallen und/oder deren Verbindungen, insbesondere Zink und Zinkverbindungen,
durchgeführt wird.
21 . Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in eine gasförmige Phase überführte Verunreinigungen mit einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser, ausgewaschen werden.
22. Reaktor zur Durchführung eines Verfahrenes nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor Induktionsspulen aufweist, die geeignet sind, das Schüttgut induktiv aufzuheizen.
23. Reaktor nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktions- spulen geeignet sind, in radialer und/oder axialer Richtung des Reaktors einen vorbestimmten Temperaturgradienten einzustellen.
24. Reaktor nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspulen geeignet sind, das Schüttgut mit einem radialen Temperaturgradienten zu heizen, der kleiner als 100 K/m, insbesondere kleiner als 50 K/m, insbesondere kleiner als 30 K/m ist.
25. Reaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor eine hochtemperaturbeständige Innenwandung auf- weist, in die die bei den zum Heizen des Schüttguts eingesetzten Frequenzen von den Induktionsspulen erzeugten Induktionsfelder nicht oder zumindest kaum ein- koppeln.
26. Reaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Innenwandung eine Auskleidung aufweist, die zumindest ein
Material aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstoff, oxidischen Feuerfestmaterialien, nicht-oxidischen Feuerfestmaterialien und Schamotte enthält.
27. Reaktor nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskleidung tongebundenen Graphit aufweist.
28. Reaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor einen Reaktorraum aufweist, der in axialer Richtung eine obere Zone, eine mittlere Zone und eine untere Zone aufweist, wobei der Reaktor insbesondere derart ausgebildet ist, dass in die obere Zone aufzubereitendes Schüttgut eingebracht werden kann, die mittlere Zone mit den zumindest teilweise um den Reaktor verlaufenden Induktionsspulen versehen ist und sich in der unte- ren Zone Schlacke und/oder gereinigtes Schüttgut ansammeln und aus ihr entnommen werden kann.
29. Reaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 22 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor im Bereich der Induktionsspulen einen Durchmesser von über 50 cm, insbesondere von über 1 m, insbesondere zwischen 1 m und 1 ,5 m besitzt.
30. Reaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 22 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor in der unteren Zone und/oder in einem unteren Bereich der mittleren Zone sich nach unten konisch erweiternd ausgebildet ist.
31 . Reaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 22 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor eine Eintragschleuse, wie etwa eine Zellenradschleuse, aufweist, über die der Reaktor mit Schüttgut versorgt werden kann, wobei die Ein- tragschleuse geeignet ist, ein unkontrolliertes Entweichen von Gasen aus dem Reaktor zu verhindern.
32. Reaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 22 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Reaktorraum verbundener Gaswäscher, wie etwa ein Berieselungsturm, vorgesehen ist, der geeignet ist, in eine gasförmige Phase überführte Verunreinigungen mit einer Flüssigkeit, wie etwa Wasser, auszuwaschen.
33. Reaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 22 bis 32, dadurch gekenn- zeichnet, dass zumindest eine Eindüsvorrichtung vorgesehen ist, die geeignet ist, in wenigstens einer der oberen, mittleren und unteren Zone Wasser und/oder Wasserdampf in den Reaktorraum einzubringen.
34. Verwendung eines mit einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 21 , insbesondere mit einem Reaktor gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 22 bis 33, gereinigten kohlenstoffhaltigen Schüttguts als Brennstoff oder als Material beispielsweise in Verschleißauskleidungen, wie etwa in Rinnen.
35. Verwendung einer bei einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 21 , insbesondere mit einem Reaktor gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 22 bis 33, anfallenden Schlacke in Baustoffen, wie etwa Zement.
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