EP4105347A1 - Vorrichtung und verfahren zum abtrennen von metallen aus staub - Google Patents

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EP4105347A1
EP4105347A1 EP21179909.3A EP21179909A EP4105347A1 EP 4105347 A1 EP4105347 A1 EP 4105347A1 EP 21179909 A EP21179909 A EP 21179909A EP 4105347 A1 EP4105347 A1 EP 4105347A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
reactor
burner
dust
flow
flow section
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Withdrawn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
EP21179909.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Reiter
Franz Edler
Harald RAUPENSTRAUCH
Christoph Spijker
Michael Meyer
Christoph Loitfellner
Zlatko Raonic
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.)
K1 Met GmbH
Montanuniversitaet Leoben
Original Assignee
K1 Met GmbH
Montanuniversitaet Leoben
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 K1 Met GmbH, Montanuniversitaet Leoben filed Critical K1 Met GmbH
Priority to EP21179909.3A priority Critical patent/EP4105347A1/de
Publication of EP4105347A1 publication Critical patent/EP4105347A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B19/00—Obtaining zinc or zinc oxide
    • C22B19/04—Obtaining zinc by distilling
    • C22B19/14—Obtaining zinc by distilling in vertical retorts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B19/00—Obtaining zinc or zinc oxide
    • C22B19/30—Obtaining zinc or zinc oxide from metallic residues or scraps
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B19/00—Obtaining zinc or zinc oxide
    • C22B19/32—Refining zinc
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B7/00—Working up raw materials other than ores, e.g. scrap, to produce non-ferrous metals and compounds thereof; Methods of a general interest or applied to the winning of more than two metals
    • C22B7/001—Dry processes
    • C22B7/004—Dry processes separating two or more metals by melting out (liquation), i.e. heating above the temperature of the lower melting metal component(s); by fractional crystallisation (controlled freezing)
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B7/00—Working up raw materials other than ores, e.g. scrap, to produce non-ferrous metals and compounds thereof; Methods of a general interest or applied to the winning of more than two metals
    • C22B7/02—Working-up flue dust
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B2200/00—Recycling of non-gaseous waste material

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for separating metals from dust, in particular from metallurgical works for iron and/or steel production, in which the dust is introduced into a gas flow and heated, whereby on the one hand zinc oxide (ZnO) as a volatile component of the dust is reduced and vaporized and on the other hand iron (Fe) and/or iron oxide (FeO, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 ) are deposited as a non-volatile component of the dust into a slag bath.
  • ZnO zinc oxide
  • Fe iron oxide
  • FeO, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 iron oxide
  • RecoDust method Such a method is known as the RecoDust method.
  • dust from smelting works for iron and/or steel production is introduced into a reactor with a reducing atmosphere.
  • the individual particle components of the dust react with the gas phase and, depending on the individual component properties, they are heated, melted and reduced or oxidized.
  • the particle phase splits into a volatile part and a liquid or solid part.
  • the parts with a lower boiling point than the final particle temperature are volatile and vaporize and go into the gas phase.
  • the remaining parts are non-volatile and sink towards the bottom of the reactor and separate from the gas phase. These parts are deposited in the slag fraction in liquid or partially solid form.
  • the volatile parts are discharged via the exhaust gas and recovered by subsequent exhaust gas treatment.
  • the object of the invention to improve the RecoDust method and to change a device for this purpose in such a way that the separated from the dust zinc-rich fraction has a high degree of purity.
  • the device should be structurally simple, technically safe and robust.
  • the invention solves the problem set with regard to the method by the features of claim 1.
  • a stable torus vortex which forms a first flow section of the gas flow, in which first flow section zinc oxide is reduced and evaporated, even the smallest components or particle parts of the dust can be sufficiently coagulated and broken down, for example by accumulation, which means that unwanted discharge of non reacted components reduced.
  • the purity of the gaseous fraction can be increased in relation to non-volatile components of the dust, which can subsequently significantly increase the purity of the zinc-rich fraction separated from it. Coagulated larger non-volatile components can more easily settle in the slag bath.
  • the torus vortex is extremely stable in the gas flow and can be used, for example, to support the flame of a burner.
  • the torus vortex as a particularly stable first flow section, facilitates the heating of the dust, for example with the aid of a gas burner, which improves the digestion rate and thus increases the efficiency of the method.
  • the method can also be carried out in a way that is easier to handle if a burner, in particular a gas burner, generates the torus vortex in a reactor.
  • the torus vortex preferably extends in its longitudinal extension essentially (ie more than 50%) over the height of the reactor or the first upper reactor section. This can ensure sufficient process time and residence time of the components in the first section to break down and reduce the dust components, which can further increase the reproducibility and efficiency of the process.
  • the dust is introduced via the burner into the torus vortex and thus into the first flow section of the gas flow, this can ensure that the first flow section is reliably and sufficiently loaded with dust.
  • the torus vortex creates a backflow area, for example, on the reactor walls. This can, for example, ensure a sufficient residence time for the components of the dust in the reactor.
  • the highest temperatures are along the reactor axis over the entire reactor height. The efficiency of the method can thus be further increased.
  • the slag pool is formed at the bottom of the reactor.
  • the non-volatile components are carried to the reactor wall by the toroidal flow and move down the reactor wall towards the reactor bottom and accumulate in the slag bath.
  • the slag pool also acts as a protective wear layer for the refractory lining of the reactor floor.
  • the gas flow preferably has a second and a third flow section, the second flow section being formed by a nozzle between the first and third flow section.
  • This nozzle as a narrowing of the cross section increases the flow speed, which improves the fractionation in the subsequent third flow section.
  • the non-volatile components separate more easily in the third flow section and are then collected in the slag bath or deposited in this slag bath. The other volatile components are discharged with the third flow section.
  • Pre-existing fractionation can be improved if there is an acute internal angle between the direction of flow towards and away from the slag bath. This sharp deflection above the slag bath tears solid and molten components out of the gas stream and deposit on the surface of the slag bath and remain in the slag bath. The remaining zinc-enriched off-gas leaves the reactor and flows into off-gas treatment.
  • a temperature of more than 1600° C. (degrees Celsius) is preferably set in the first flow section in order to be able to reproducibly melt and reduce even higher-melting and therefore non-volatile oxide compounds.
  • the dust has a maximum grain size of less than 1000 ⁇ m, preferably an average grain size of 50 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • This particle size also allows, for example, the dust to be quickly heated, melted and reduced by a gas burner. This also improves the fraction of volatile from non-volatile components in the torus vortex.
  • the reduction of zinc oxide (ZnO) can be further improved if the first flow section has a sub-stoichiometric combustion air ratio ( ⁇ ), in particular a combustion air ratio ( ⁇ ) of 0.7 to 0.8.
  • ⁇ sub-stoichiometric combustion air ratio
  • the reducing atmosphere is realized by the combustion air ratio ( ⁇ ) of the gas burner. In addition, this can advantageously avoid an additional reducing agent.
  • the invention solves the problem set with regard to the device by the features of claim 11.
  • the burner for example a gas burner
  • this forms a stable torus vortex in the reactor and drives it.
  • This arrangement of the burner and reactor can result in a simplified construction, which can also stably and reproducibly separate the dust into fractions.
  • the dust is preferably introduced into the reactor via the heating gas duct of the burner, in particular evenly distributed, which can ensure that the dust particles enter the torus vortex and thus improve the efficiency of the device.
  • a non-reactive, inert atmosphere outside the reactor in the heating gas duct is ensured by the transport of dust with the heating gas. This ensures increased plant safety, since the heating oxygen required for a reaction is only added in the reactor.
  • the burner is of the post-mixing type. Heating oxygen and heating gas exit the burner and enter the reactor in separate channels. Mixing therefore takes place in the reactor, which can increase the stability of the device, in particular with regard to a dust-loaded heating gas channel. The mixing of heating oxygen and heating gas, the combustion reaction and the reduction of dust in the reactor takes place through the separate channels for heating oxygen and heating gas.
  • Simplified structural conditions for the formation of a stable torus vortex can result if the reactor has a cylindrical wall section in the area of the stable torus vortex, and that the burner has a burner head at which the heating gas channel and heating oxygen channel for a conical flame of the heating gas/heating oxygen mixture open out aligned with one another.
  • the stable torus vortex is preferably generated by the design of the heating oxygen channel.
  • the heating oxygen channel preferably exits the burner at an angle ( ⁇ ) of 0 to 35 degrees, in particular 20 to 35 degrees, relative to the longitudinal axis of the burner, running at an incline, in order to generate the stable torus vortex.
  • the reactor has two reactor sections connected via a nozzle, the first upper reactor section having the first flow section and the lower third reactor section having the third flow section and the slag bath.
  • the narrowing of the cross-section through the nozzle causes an increase in gas velocity and improves the subsequent fraction separation.
  • a device 1 for carrying out a method for separating metals from dust 2 from metallurgical works for iron and steel production is shown.
  • the dust 2 is introduced into a gas flow 3 and heated.
  • this gas flow 3 on the one hand, zinc oxide (ZnO) as a volatile component of the dust 2 is reduced and evaporated and, on the other hand, iron Fe and/or iron oxide, in the form of FeO, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , as a non-volatile component of the dust 2 deposited, specifically to form a slag bath 4 or in a slag bath 4 .
  • Volatile components are gaseous compounds which, under specified conditions, evolve during the heating and decomposition of inorganic and organic substances and have a lower evaporation temperature than a gas product resulting from the decomposition of inorganic and organic substances.
  • the determination of the volatile components of a substance is a so-called convention method. In the case of solid fuels, the volatile components are determined according to DIN 51720.
  • a stable torus vortex 5 is formed as the first flow section 3a of the gas flow 3, and is stable over the entire operating range of the method.
  • Zinc oxide ZnO is reduced and evaporated in this first flow section 3a.
  • This is also stable and reproducible with dust 2 with the smallest particle size, since the torus vortex 5 itself forces such particles to agglomerate and thus avoids a carry-over of untreated dust 2 from the device 1 or from the reactor 6 of the device 1 .
  • the torus vortex 5 runs along the reactor 6 or along the first upper reactor section 6a.
  • the torus vortex 5 has a rolling component W directed in the longitudinal direction of the reactor 6 and is twist-free, with a twist component perpendicular to the rolling component W, for example, also being conceivable.
  • the device 1 has a reactor 6 and a burner 7 , namely a gas burner, at the top of the reactor 6 .
  • the burner 7 opening into the first reactor section 6a is designed in such a way that it drives a stable torus vortex 5 in the reactor 6 or forms this torus vortex 5 there.
  • the burner 7 -as in Figures 2 and 3 shown a burner head 7.1, on the heating gas channel 8, the heating gas 12 (e.g. CH 4 ) and leads the dust 2, and heating oxygen channel 9, which leads the oxygen 13 (O 2 ), open out.
  • the heating gas channel 8 and the heating oxygen channel 9 now open out at the burner head 7.1 aligned with one another in such a way that a conical flame 14 of the heating gas and heating oxygen mixture is formed.
  • the heating oxygen channel 9 emerges at an angle ⁇ of 0 to 35 degrees, in particular of 20 to 35 degrees, relative to the longitudinal axis L of the burner 7, running at an incline on the burner 7, as is the case with the various first nozzles 9.1 on the end face 7.2 of the Burner 7 can be seen.
  • the heating gas channel 8 exits the burner 7 via an annular second nozzle 8.1, the first nozzles 9.1 being arranged around the second nozzle 8.1, as in FIG 3 can be seen.
  • the torus vortex 5 extends essentially (ie more than 50%) over the height of the first reactor section 6a.
  • the first reactor section 6a has a cylindrical wall section 10 in the region of the stable torus vortex 5, which particularly stabilizes the torus vortex 5.
  • the dust 2 is introduced into the reactor 6 via the burner 7 .
  • the dust 2 is supplied to the gas of the heating gas duct 8 of the burner 7, which is of the post-mixing type. Dust is thus reproducibly supplied to the torus vortex 5 for fractionation and a sufficient temperature of over 1600 degrees Celsius is ensured in the torus vortex 5 with oxygen reduction.
  • the reactor 6 has two reactor sections 6a and 6c connected via a nozzle 6b.
  • first upper reactor section 6a is the first flow section 3a and in the lower third reactor section 6c there is a third flow section 3c of the gas flow 3 and also the slag bath 4, in which iron Fe and/or iron oxide FeO, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 are deposited as a non-volatile component of the dust 2.
  • the torus vortex 5 also ensures that the reduction of the zinc oxide ZnO is complete before the gas flow 3 enters the third reactor section 6c.
  • the nozzle 6b accelerates the gas flow 3, which enters the third flow section 3c, specifically with a flow direction 11a which is initially directed towards the slag bath 4.
  • the gas flow 3 is deflected in such a way that a direction of flow 11a away from the slag bath 4 results.
  • the separation of the non-volatile components is influenced by the gas velocity v g , which is adjusted to the liquid level of the slag bath 4, by the flow deflection radius r and the superimposed gravitational acceleration g.
  • the deflection angle ⁇ is less than 90°, preferably 60 degrees.
  • the third reactor section 6c thus acts as a separator for the non-volatile components of the dust 2.
  • the evaporated zinc oxide Zn (g) is discharged from the reactor 6 as waste gas via the gas stream 3 .
  • the zinc-containing gas flow 3 is post-combusted (as is known from the RecoDust process) in an exhaust gas section not shown in detail below, which leads to oxidation of the zinc to form ZnO.
  • the zinc oxide, which is now solid, is subsequently separated from the exhaust gas flow by filters and is thus obtained from the dust 2 in high purity.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren zum Abtrennen von Metallen aus Staub (2), insbesondere von Hüttenwerken zur Eisen- und/oder Stahlerzeugung, gezeigt, bei dem der Staub (2) in eine Gasströmung (3) eingebracht und erhitzt wird, womit einerseits Zinkoxid (ZnO) als ein flüchtiger Bestandteil des Staubs (2) reduziert und verdampft wird und andererseits Eisen (Fe) und/oder Eisenoxid (FeO, Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>) als ein nichtflüchtiger Bestandteil des Staubs (2) zu einem Schlackebad (4) abgeschieden wird. Um Metalle mit hoher Reinheit einfach und anlagentechnisch sicher aus dem Staub abtrennen zu können, wird vorgeschlagen, dass ein stabiler Toruswirbel (5) erzeugt wird, der einen ersten Strömungsabschnitt (3a) der Gasströmung (3) ausbildet, in welchem ersten Strömungsabschnitt (3a) Zinkoxid (ZnO) reduziert und verdampft wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Abtrennen von Metallen aus Staub, insbesondere von Hüttenwerken zur Eisen- und/oder Stahlerzeugung, bei dem der Staub in eine Gasströmung eingebracht und erhitzt wird, wodurch einerseits Zinkoxid (ZnO) als ein flüchtiger Bestandteil des Staubs reduziert und verdampft wird und andererseits Eisen (Fe) und/oder Eisenoxid (FeO, Fe2O3, Fe3O4) als ein nichtflüchtiger Bestandteil des Staubs zu einem Schlackebad abgeschieden werden.
  • Ein derartiges Verfahren ist als RecoDust Verfahren bekannt. Bei diesem Verfahren werden Stäube von Hüttenwerken zur Eisen- und/oder Stahlerzeugung in einen Reaktor mit reduzierender Atmosphäre eingebracht. Die einzelnen Partikelkomponenten des Staubs reagieren mit der Gasphase und je nach den einzelnen Komponenten-Eigenschaften werden diese erhitzt, geschmolzen und reduziert oder oxidiert. Dabei splittet sich die Partikelphase in einen volatilen Teil und einen flüssigen oder festen Teil. Die Teile mit einem niederen Siedepunkt als die Partikel-Endtemperatur sind volatil und verdampfen und gehen in die Gasphase über. Die übrigen Teile sind nichtflüchtig und sinken in Richtung des Reaktorbodens und trennen sich von der Gasphase. Diese Teile werden in flüssiger oder teilweise fester Form in die Schlackenfraktion abgeschieden. Die volatilen Teile werden über das Abgas ausgetragen und durch eine nachfolgende Abgasbehandlung wiedergewonnen.
  • Bekanntermaßen können im Gegensatz zu anderen Verfahren mit dem RecoDust Verfahren Stäube unabhängig von deren Mindestzinkgehalt behandelt werden. Nachteilig können Vorgaben zur Reinheit der abgetrennten zinkreichen Fraktion sowie sicherheitsrelevante Aspekten bei der Staubförderung in den Reaktor nicht eingehalten werden.
  • Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, das RecoDust Verfahren zu verbessern und eine Vorrichtung hierzu derart zu verändern, dass die vom Staub abgetrennte zinkreiche Fraktion einen hohen Reinheitsgrad aufweist. Zudem soll die Vorrichtung konstruktiv einfach, anlagentechnisch sicher und robust ausgebildet sein.
  • Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 1.
  • Wird ein stabiler Toruswirbel erzeugt, der einen ersten Strömungsabschnitt der Gasströmung ausbildet, in welchem ersten Strömungsabschnitt Zinkoxid reduziert und verdampft wird, können selbst kleinste Bestandteile bzw. Partikelteile des Staubs ausreichend, beispielsweise durch Akkumulierung, koaguliert und aufgeschlossen werden, was ein unerwünschtes Austragen von nicht reagierten Bestandteilen vermindert. Beispielsweise kann damit die Reinheit der gasförmigen Fraktion gegenüber nichtflüchtigen Bestandteilen des Staubs erhöht werden, was in weiterer Folge die Reinheit der davon abgetrennten zinkreichen Fraktion deutlich erhöhen kann. Koagulierte größere nichtflüchtige Bestandteile können sich leichter im Schlackebad absetzen. Außerdem ist der Toruswirbel in der Gasströmung äußerst stabil und kann beispielsweise zur Stützung der Flamme eines Brenners verwendet werden. Zudem erleichtert der Toruswirbel als besonders stabiler erster Strömungsabschnitt die Erhitzung des Staubs, beispielsweise mit Hilf eines Gasbrenners, was die Aufschlussrate verbessert und damit den Wirkungsgrad des Verfahrens erhöht.
  • Das Verfahren kann auch handhabungsfreundlicher durchgeführt werden, wenn ein Brenner, insbesondere Gasbrenner, in einem Reaktor den Toruswirbel erzeugt. Vorzugsweise erstreckt sich der Toruswirbel in dessen Längserstreckung im Wesentlichen (also mehr als 50 %) über die Höhe des Reaktors bzw. des ersten oberen Reaktorabschnitts. Dies kann für eine ausreichende Prozesszeit und Verweilzeit der Bestandteile im ersten Abschnitt gesorgt werden, um die Staubbestandteile aufzuschließen und zu reduzieren, was die Reproduzierbarkeit und Effizienz des Verfahrens weiter erhöhen kann.
  • Wird der Staub über den Brenner in den Toruswirbel und damit in den ersten Strömungsabschnitt der Gasströmung eingebracht, kann dies für eine zuverlässige und ausreichende Beladung des ersten Strömungsabschnitts mit Staub sorgen. Der Toruswirbel erzeugt einen Rückstrombereich beispielsweise an den Reaktorwänden. Dies kann beispielsweise eine ausreichende Verweilzeit der Bestandteile des Staubs im Reaktor gewährleisten. Die höchsten Temperaturen befinden sich entlang der Reaktorachse über die gesamte Reaktorhöhe. Die Effizienz des Verfahrens kann damit weiter gesteigert werden.
  • Vorzugsweise wird das Schlackebad am Boden des Reaktors ausgebildet. Die nichtflüchtigen Bestandteile werden durch die torusförmige Strömung an die Reaktorwand befördert und bewegen sich entlang der Reaktorwand in Richtung des Reaktorbodens hinab und sammeln sich im Schlackebad. Das Schlackebad wirkt außerdem als eine schützende Verschleißschicht für die feuerfeste Ausmauerung des Reaktorbodens.
  • Vorzugsweise weist die Gasströmung einen zweiten und einen dritten Strömungsabschnitt auf, wobei der zweite Strömungsabschnitt von einer Düse zwischen dem ersten und dritten Strömungsabschnitt ausgebildet wird. Diese Düse als Querschnittsverengung erhöht die Strömungsgeschwindigkeit, was die Fraktionierung im nachfolgenden dritten Strömungsabschnitt verbessert. So scheiden sich damit die nichtflüchtigen Bestandteile im dritten Strömungsabschnitt leichter ab und werden anschließend im Schlackebad gesammelt bzw. zu diesem Schlackebad abgeschieden. Die anderen flüchtigen Bestandteile werden mit dem dritten Strömungsabschnitt ausgetragen.
  • Ein unerwünschter Carry-Over tritt auf, wenn ein zu hoher Anteil an nicht behandeltem Staub den Reaktor verlässt. Dieser Carry-Over zwischen den Fraktionen kann weiter vermindert werden, wenn die Strömungsrichtung des dritten Strömungsabschnitts auf das Schlackebad zunächst zugerichtet, vor dem Schlackebad umgelenkt und dann von diesem Schlackebad weg gerichtet verläuft und aus dem Reaktor ausgetragen wird. Durch die Anordnung des zweiten und dritten Düsenabschnitts kann die Fraktionierung des Verfahrens weiter verbessert werden.
  • Vorstehende bestehende Fraktionierung kann verbessert werden, wenn zwischen der zum Schlackebad zugerichteten und weggerichteten Strömungsrichtung ein spitzer Innenwinkel besteht. Durch diese scharfe Umlenkung über dem Schlackebad werden feste und geschmolzene Bestandteile aus dem Gasstrom gerissen und scheiden sich an der Oberfläche des Schlackebads ab und verbleiben im Schlackebad. Das übrige zinkangereicherte Abgas verlässt den Reaktor und strömt in die Abgasbehandlung.
  • Vorzugsweise wird im ersten Strömungsabschnitt eine Temperatur von mehr als 1600 C (Grad Celsius) eingestellt, um damit selbst höherschmelzende und somit nichtflüchtige Oxidverbindungen reproduzierbar schmelzen und reduzieren zu können.
  • Günstige Verfahrensbedingungen können sich ergeben, wenn der Staub eine maximale Korngröße von unter 1.000 µm, bevorzugt eine mittlere Korngröße von 50 µm bis 100 µm, aufweist. Diese Korngröße ermöglicht es beispielsweise auch, dass der Staub durch einen Gasbrenner rasch erhitzt, geschmolzen und reduziert werden kann. Dies verbessert zudem auch im Toruswirbel die Fraktion der flüchtigen von den nichtflüchtigen Bestandteilen.
  • Die Reduktion von Zinkoxid (ZnO) kann weiter verbessert werden, wenn der erste Strömungsabschnitt ein unterstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis (λ), insbesondere ein Verbrennungsluftverhältnis (λ) von 0,7 bis 0,8, aufweist. Die reduzierende Atmosphäre wird durch das Verbrennungsluftverhältnis (λ) des Gasbrenners realisiert. Zudem kann dies ein zusätzliches Reduktionsmittel vorteilhaft vermeiden.
  • Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 11.
  • Mündet der Brenner, beispielsweise Gasbrenner, in den Reaktor, bildet dies im Reaktor einen stabilen Toruswirbel aus und treibt diesen an. Diese Anordnung von Brenner und Reaktor kann zu einer vereinfachten Konstruktion führen, die zudem standfest und reproduzierend den Staub in Fraktionen trennen kann.
  • Dies insbesondere dann, wenn der Brenner mit mindestens einem Heizsauerstoffkanal zur Führung von Sauerstoff und mit wenigstens einem Heizgaskanal zur Führung von Heizgas in den Reaktor mündet.
  • Vorzugsweise wird der Staub über den Heizgaskanal des Brenners, insbesondere gleichverteilt, in den Reaktor eingebracht, was den Eintrag der Staubpartikel im Toruswirbel sicherstellen kann und damit den Wirkungsgrad der Vorrichtung verbessert. Durch den Staubtransport mit dem Heizgas ist eine nicht reaktive inerte Atmosphäre außerhalb des Reaktors im Heizgaskanal gewährleistet. Damit ist eine erhöhte Anlagensicherheit gegeben, da der für eine Reaktion notwendige Heizsauerstoff erst im Reaktor dazugegeben wird.
  • Der Brenner ist vom nachmischenden Typ. Heizsauerstoff und Heizgas treten in getrennten Kanälen aus dem Brenner aus und in den Reaktor ein. Eine Vermischung findet daher im Reaktor statt, was die Standfestigkeit der Vorrichtung erhöhen kann, insbesondere in Hinblick auf einen staub-belasteten Heizgaskanal. Durch die getrennten Kanäle für Heizsauerstoff und für Heizgas erfolgt die Vermischung von Heizsauerstoff und Heizgas, die Verbrennungsreaktion sowie die Reduktion des Staubs im Reaktor.
  • Vereinfachte Konstruktionsverhältnisse zur Ausbildung eines stabilen Toruswirbels können sich ergeben, wenn der Reaktor im Bereich des stabilen Toruswirbels einen zylindrischen Wandabschnitt aufweist, und dass der Brenner einen Brennerkopf aufweist, an dem Heizgaskanal und Heizsauerstoffkanal für eine kegelförmige Flamme des Heizgas-Heizsauerstoffgemisches zueinander ausgerichtet ausmünden. Der stabile Toruswirbel wird vorzugsweise durch die Ausführung des Heizsauerstoffkanals erzeugt.
  • Vorzugsweise tritt der Heizsauerstoffkanal in einem Winkel (α) von 0 bis 35 Grad, insbesondere von 20 bis 35 Grad, gegenüber der Längsachse des Brenners geneigt verlaufend am Brenner aus, um den stabilen Toruswirbel zu erzeugen.
  • Eine verbesserte Fraktionstrennung für eine erhöhte Reinheit kann ermöglicht werden, wenn der Reaktor zwei über eine Düse verbundene Reaktorabschnitte aufweist, wobei der erste obere Reaktorabschnitt den ersten Strömungsabschnitt und der untere dritte Reaktorabschnitt den dritten Strömungsabschnitt und das Schlackebad aufweisen. Die Querschnittsverengung durch die Düse bewirkt eine Erhöhung der Gasgeschwindigkeit und verbessert die nachfolgende Fraktionstrennung.
  • In den Figuren ist beispielsweise der Erfindungsgegenstand anhand von einer Ausführungsvariante näher dargestellt. Es zeigen
    • Fig. 1 eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
    • Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht auf einen Brenner der Vorrichtung nach Fig. 1 und
    • Fig. 3 eine Unteransicht auf den Brenner der Fig. 2.
  • Nach der Fig. 1 ist beispielsweise eine Vorrichtung 1 zur Durchführung eines Verfahrens zum Abtrennen von Metallen aus Staub 2 von Hüttenwerken zur Eisen- und Stahlerzeugung dargestellt.
  • Bei diesem Verfahren wird der Staub 2 in eine Gasströmung 3 eingebracht und erhitzt. In dieser Gasströmung 3 wird einerseits Zinkoxid (ZnO) als ein flüchtiger Bestandteil des Staubs 2 reduziert und verdampft und andererseits Eisen Fe und/oder Eisenoxid, in Form von FeO, Fe2O3, Fe3O4, als ein nichtflüchtiger Bestandteil des Staubs 2 abgeschieden, und zwar zu einem bzw. in einem Schlackebad 4 abgeschieden.
  • Flüchtige Bestandteile sind gasförmige Verbindungen, die unter festgelegten Bedingungen beim Erhitzen und Zersetzen anorganischer und organischer Stoffe entweichen und eine niedrigere Verdampfungstemperatur aufweisen als ein bei der Zersetzung anorganischer und organischer Stoffe entstehendes Gasprodukt. Die Bestimmung der flüchtigen Bestandteile eines Stoffes ist ein sogenanntes Konventionsverfahren. Bei festen Brennstoffen werden die flüchtigen Bestandteile nach DIN 51720 ermittelt.
  • Erfindungsgemäß wird ein stabiler Toruswirbel 5 als erster Strömungsabschnitt 3a der Gasströmung 3 ausgebildet, und zwar im gesamten Betriebsbereich des Verfahrens stabil. In diesem ersten Strömungsabschnitt 3a wird Zinkoxid ZnO reduziert und verdampft. Dies erfolgt auch standfest und reproduzierbar bei einem Staub 2 mit der kleinsten Partikelgröße, da der Toruswirbel 5 selbst solche Partikel zur Agglomeration zwingt und damit ein Carry-Over von nicht behandeltem Staub 2 aus der Vorrichtung 1 bzw. aus dem Reaktor 6 der Vorrichtung 1 vermeidet. Dies führt zu einer besonders hohen Reinheit des verdampften Zinkoxids Zn(g) gemäß der Reaktionsgleichungen

             ZnO +CO → Zn(g) + CO2 und ZnO + H2 → Zn(g)+H2O

  • Wie in Fig. 1 zu erkennen, verläuft der Toruswirbel 5 längs des Reaktors 6 bzw. längs des ersten oberen Reaktorabschnitts 6a. Außerdem weist der Toruswirbel 5 eine in Längsrichtung des Reaktors 6 gerichtete Walzkomponente W auf und ist drallfrei, wobei auch eine, beispielsweise zur Walzkomponente W senkrechte, Drallkomponente vorstellbar ist.
  • Wie in Fig. 1 zu erkennen, weist die Vorrichtung 1 einen Reaktor 6 und einen Brenner 7, nämlich Gasbrenner, am Kopf des Reaktors 6 auf. Der in den ersten Reaktorabschnitt 6a einmündende Brenner 7 ist derart ausgebildet, im Reaktor 6 eine stabilen Toruswirbel 5 anzutreiben bzw. diesen Toruswirbel 5 dort auszubilden.
  • Zur Ausbildung des Toruswirbels 5 weist der Brenner 7 -wie in Fig. 2 und 3 dargestellteinen Brennerkopf 7.1 auf, an dem Heizgaskanal 8, der Heizgas 12 (z. B.: CH4) und den Staub 2 führt, und Heizsauerstoffkanal 9, der den Sauerstoff 13 (O2) führt, ausmünden. Heizgaskanal 8 und Heizsauerstoffkanal 9 münden nun derart am Brennerkopf 7.1 zueinander ausgerichtet aus, dass sich eine kegelförmige Flamme 14 des Heizgas-Heizsauerstoffgemisches ausbildet.
    Und zwar tritt der Heizsauerstoffkanal 9 in einem Winkel α von 0 bis 35 Grad, insbesondere von 20 bis 35 Grad, gegenüber der Längsachse L des Brenners 7 geneigt verlaufend am Brenner 7 aus, wie dies an den verschiedensten ersten Düsen 9.1 auf der Stirnseite 7.2 des Brenners 7 zu erkennen ist.
    Der Heizgaskanal 8 tritt über eine ringförmige zweite Düse 8.1 aus dem Brenner 7 aus, wobei die ersten Düsen 9.1 um die zweite Düse 8.1 herum angeordnet sind, wie in Fig. 3 zu erkennen ist.
  • Der Toruswirbels 5 erstreckt sich im Wesentlichen (also mehr als 50 %) über die Höhe des ersten Reaktorabschnitts 6a. Zudem weist der erste Reaktorabschnitt 6a im Bereich des stabilen Toruswirbels 5 einen zylindrischen Wandabschnitt 10 auf, was den Toruswirbel 5 besonders stabilisiert.
  • Der Staub 2 wird über den Brenner 7 in den Reaktor 6 eingebracht. Hierzu wird der Staub 2 dem Gas des Heizgaskanal 8 des Brenners 7 zugeführt, der vom nachmischenden Typ ist. Damit wird reproduzierbar dem Toruswirbel 5 Staub zum Fraktionieren zugeführt und für eine ausreichende Temperatur von über 1600 Grad Celsius im Toruswirbel 5 unter Sauerstoffreduktion gesorgt.
  • Der Reaktor 6 weist zwei über eine Düse 6b verbundene Reaktorabschnitt 6a und 6c auf. Im ersten oberen Reaktorabschnitt 6a befindet sich der erste Strömungsabschnitt 3a und im unteren dritten Reaktorabschnitt 6c befindet sich ein dritter Strömungsabschnitt 3c der Gasströmung 3 und auch das Schlackebad 4, in dem Eisen Fe und/oder Eisenoxid FeO, Fe2O3, Fe3O4 als ein nichtflüchtiger Bestandteil des Staubs 2 abgeschieden werden.
  • Erfindungsgemäß stellt der Toruswirbel 5 auch sicher, dass die Reduktion des Zinkoxides ZnO abgeschlossen ist, bevor die Gasströmung 3 in den dritten Reaktorabschnitt 6c eintritt.
  • Die Düse 6b beschleunigt die Gasströmung 3, die in den dritten Strömungsabschnitt 3c eintritt, und zwar mit einer Strömungsrichtung 11a auf die zunächst auf das Schlackebad 4 gerichtet ist. Vor dem Schlackebad 4 wird die Gasströmung 3 umgelenkt, und zwar so, dass sich eine Strömungsrichtung 11a weg vom Schlackebad 4 ergibt. Zwischen der zum Schlackebad 4 zugerichteten und weggerichteten Strömungsrichtungen 11a und 11b besteht ein spitzer Umlenkwinkel µ.
  • Das führt zu dem gewünschten Abscheidungseffekt von nichtflüchtigen Bestandteilen in der Gasströmung 3. Die Abscheidung der nichtflüchtigen Bestandteile wird über die Gasgeschwindigkeit vg, die dem Flüssigkeitsspiegel des Schlackebads 4 zugerichtet ist, über den Strömungsumlenkradius r und der überlagerten Erdbeschleunigung g beeinflusst. Der Umlenkwinkel µ ist kleiner als 90°, vorzugsweise 60 Grad.
  • Damit wirkt der dritte Reaktorabschnitt 6c als Abscheider für die nichtflüchtigen Bestandteile des Staubs 2.
  • Das verdampften Zinkoxids Zn(g) wird über den Gasstrom 3 als Abgas aus dem Reaktor 6 ausgetragen. In einer nachfolgend nicht näher dargestellten Abgasstrecke wird (wie aus dem RecoDust Verfahren bekannt) der zinkhaltige Gasstrom 3 nachverbrannt, was zu einer Oxidation des Zinks zu ZnO führt. Das nun fest vorliegende Zinkoxid wird in weiterer Folge über Filter aus Abgasstrom abgetrennt und damit aus dem Staub 2 in hoher Reinheit gewonnen werden.

Claims (17)

  1. Verfahren zum Abtrennen von Metallen aus Staub (2), insbesondere von Hüttenwerken zur Eisen- und/oder Stahlerzeugung, bei dem
    der Staub (2) in eine Gasströmung (3) eingebracht und erhitzt wird, womit einerseits Zinkoxid (ZnO) als ein flüchtiger Bestandteil des Staubs (2) reduziert und verdampft wird und andererseits Eisen (Fe) und/oder Eisenoxid (FeO, Fe2O3, Fe3O4) als ein nichtflüchtiger Bestandteil des Staubs (2) zu einem Schlackebad (4) abgeschieden wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein stabiler Toruswirbel (5) erzeugt wird, der einen ersten Strömungsabschnitt (3a) der Gasströmung (3) ausbildet, in welchem ersten Strömungsabschnitt (3a) Zinkoxid (ZnO) reduziert und verdampft wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brenner (7), insbesondere Gasbrenner, in einem Reaktor (6) den Toruswirbel (5) erzeugt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Staub (2) über den Brenner (7) in den Toruswirbel (5) und damit in den ersten Strömungsabschnitt (3a) der Gasströmung (3) eingebracht wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schlackebad (4) am Boden des Reaktors (6) ausbildet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasströmung (3) einen zweiten und einen dritten Strömungsabschnitt (3b, 3c) aufweist, wobei der zweite Strömungsabschnitt (3b) von einer Düse (6b) zwischen dem ersten und dritten Strömungsabschnitt (3a, 3c) ausgebildet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrichtung (11a) des dritten Strömungsabschnitts (3c) auf das Schlackebad (4) zunächst zugerichtet, vor dem Schlackebad (4) umgelenkt und dann von diesem Schlackebad (4) weg gerichtet verläuft.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zum Schlackebad (4) zugerichteten und weggerichteten Strömungsrichtungen (11a, 11b) ein spitzer Umlenkwinkel (µ) besteht.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Strömungsabschnitt (3a) eine Temperatur von mehr als 1600 C eingestellt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Staub (2) eine maximale Korngröße von unter 1.000 µm, bevorzugt eine mittlere Korngröße von 50 µm bis 100 µm, aufweist.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strömungsabschnitt (3a) ein unterstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis (λ), insbesondere ein Verbrennungsluftverhältnis (λ) von 0,7 bis 0,8, aufweist.
  11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit einem Reaktor (6) und mit einem Brenner (7), dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (7) in den Reaktor (6) mündet und im Reaktor (6) einen stabilen Toruswirbel (5) ausbildend antreibt.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (7) mit mindestens einem Heizsauerstoffkanal (9) zur Führung von Sauerstoff (13) und mit wenigstens einem Heizgaskanal (8) zur Führung von Heizgas (12) in den Reaktor (6) mündet.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Staub (2) über den Heizgaskanal (8) des Brenners (7) in den Reaktor (6) eingebracht wird.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (7) vom nachmischenden Typ ist.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (6) im Bereich des stabilen Toruswirbels (5) einen zylindrischen Wandabschnitt (10) aufweist, und dass der Brenner (7) einen Brennerkopf aufweist, an dem Heizgaskanal (8) und Heizsauerstoffkanal (9) für einen kegelförmige Flamme (14) des Heizgas-Heizsauerstoffgemisches zueinander ausgerichtet ausmünden.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizsauerstoffkanal (9) in einem Winkel (α) von 0 bis 35 Grad, insbesondere von 20 bis 35 Grad, gegenüber der Längsachse (L) des Brenners (7) geneigt verlaufend am Brenner (7) austritt.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (6) zwei über eine Düse (6b) verbundene Reaktorabschnitte (6a, 6b) aufweist, wobei der ersten oberen Reaktorabschnitt (6a) den ersten Strömungsabschnitt (3a), die Düse (6b) den zweiten Strömungsabschnitt (3b) und der untere dritte Reaktorabschnitt (6c) den dritten Strömungsabschnitt (3c) und das Schlackebad (4) aufweisen.
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