JP2008528256A - 金属酸化物を含有するスラグ又はガラスを還元する方法及び／又は無機溶融物を脱ガスする方法及び該方法を実施する装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、金属酸化物スラグ又はガラスを還元する方法及び／又は無機溶融物を脱ガスする方法に関係する。該方法は、少なくとも部分的に誘導加熱される粒状（lumpy)コークスを含むベッド又はカラムに固体粒子及び／又は溶融物を供給することによって、及び前記ベッド又はカラムから流出する還元された及び／又は脱ガスされた溶融物を収集することによって、特徴づけられる。本発明は、金属酸化物スラグ又はガラスを還元する装置及び／又は無機溶融物を脱ガスする装置にも関係し、該装値は固体の又は溶融した物質の供給開口部（１）及び処理した溶融物のタップホール（１２）を有する。本発明の装置は、粒状コークス（６）を受け容れる管型又は溝型のハウジング（３）及びこのハウジング（３）を取り囲み且つ少なくとも一つの誘導コイル（７、８、９）を含む加熱装置によって特徴づけられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属酸化物を含有するスラグ又はガラスを還元する方法及び／又は無機溶融物を脱ガスする方法及び該方法を実施する装置に関係し、該装置は固体又は溶融した物質を装填するための開口部及び処理した溶融物のためのタップ開口部を有する。

ダスト及びスラグ、特に廃棄物スラグ、スチールスラグさらに非鉄冶金及び無機技術から派生したスラグは、多くの金属酸化物を含み、スチールスラグの場合にはスラグ中に含まれたかなりの量の重金属酸化物を伴う。このような望ましくない金属酸化物、具体的にはクロム酸化物、バナジウム、モリブデン、タングステン、コバルト、マンガン、鉛及び亜鉛酸化物を還元するために、液状の溶融物を好適な還元金属バス、及び特に鉄のバスに装填することが既に提案されており、このバスは還元剤としてのフリーカーボンを含みそして還元した金属を金属レギュラスへ渡す。しかしながら、このような方法の経済的な実行のためには、ほとんどの場合に開始材料を直接的に溶融物として使用することが必要であり、これはこの溶融物の顕熱を利用可能とするためである。全てのこのような酸化還元反応に関して、このスラグはさらに金属バスと平衡にあって、そしてこの平衡状態にあるという理由で、スラグに残留する酸化物が分析検出限界未満になるやり方で、重金属酸化物が完全に還元されることはない。この方法は特にクロム酸化物に適用され、クロム酸化物は還元されたスラグ中に通常１０００ｐｐｍを超える量で残っている。

ガラス、そして特に重金属酸化物がガラス溶融物から極微量まで定量的に除去される場合のみ無色のガラス溶融物、を製造することが可能となる、これは金属酸化物がガラスに固有の色を与えるためである。ガラス又はガラス溶融物をプロセス処理する際に、清澄にするためには、一般に、金属酸化物を排除することを狙った還元プロセスでも生成する最も清澄なガスの気泡すら確実に除去することがさらに要求される。これは、相応の高温であり、相応の低粘度の溶融物を伴い、さらに比較的低いバスレベルであってガスが抜けることが依然として可能な場合にのみ実現可能である。

本発明は、最初に定義した種類の方法を提供することを目的としており、この方法によって、特に単純且つ経済的なやり方で、固体物質だけでなく溶融物も大量に重金属酸化物が定量的にフリーにされることが可能であり、そして特に多量の重金属酸化物が検出限界未満にまで除去されることが可能であり、一方で、同時に、装填された又はプロセスの中で生成された溶融物の完全な脱ガス又は清澄も可能にする。

この目的を解決するために、本発明による方法は本質的に、固体粒子及び／又は溶融物を少なくとも部分的に誘導加熱される粒状（lumpy)コークスを含むベッド又はカラムに装填し、そして流出する還元した及び／又は脱ガスした溶融物を集めることに存する。粒状カーボンキャリアーを含むベッド又はカラムが少なくとも部分的に誘導加熱されているので、コークスに関してカーボンキャリアーが燃焼される場合よりも実質的に高い温度が得られる。さらに、このような赤熱したカラム又は赤熱したコークスベッドは、実質的により高い酸化還元ポテンシャルによって特徴づけられるが、これはカーボンが実際には燃焼生成物、特にＣＯ及びＣＯ_２、と熱的平衡でないからである。固体粒子がこのような高温に加熱された粒状コークスを含むカラム又はベッドに装填される場合、それぞれの溶融プロシージャーが急速に起こり、同時に望ましい金属酸化物の還元をひきおこす。同じことを当然に既に溶融した物質の装填にも適用し、そのため薄い層の反応器でのみ観察される反応が、同時に実現可能なものにされる、これは粒状コークスの包みこみによって、現場で生成した溶融物、又は装填された溶融物が比較的薄い層にある赤熱したコークスと接触するようになるという事実による。これが、特に急速且つ信頼性のある金属の脱ガス又は清澄のために、持続する。これは特にガラス溶融物を使用するときに望ましい。

従って、本発明による方法にとって、高温に加熱され赤熱した粒状コークスが使用されることが必要不可欠であり、その加熱は少なくとも部分的には誘導加熱でもたらされる。このようなコークスを含む誘導加熱カラム又は誘導加熱ベッドにガスを吹き込むと、好ましい運転モードと関係して、このベッドの酸化還元ポテンシャルが広い境界内で制御可能である。酸素を含むガスの吹き込みが赤熱カーボンキャリアーの部分燃焼を引き起こし、そしてそれゆえにＣＯ及びＣＯ_２の生成を引き起こし、このため酸化還元ポテンシャルがそれに応じて低下し、従ってより貴である金属だけがその金属酸化物から還元される運転モードを可能とし、一方で比較すると貴でない金属が溶融物中に残る。同時に、このようなガスの供給は、酸化還元ポテンシャルの調整に加えて、カラム又はベッドのそれぞれの領域で揮発している物質を再凝縮するための温度の変化を可能にする。単純且つ比較的小さな構造の反応器を使用しながら、大量の異なるパラメータを考慮しつつ全体のプロセス制御が可能になるように、誘導加熱の間の電力インプットを変化させることによって、特に単純なやり方で、ベッドの温度が制御されることが可能である。これに応じた高温において、クロムとバナジウムを特に単純なやり方で還元することが実現可能であり、従って、赤熱したカーボンキャリアーにより、場合により生成された炭化物が還元によって生成した金属レギュラスにそして従って金属溶融物に進入する。概して、誘電加熱によって温度が調節された赤熱コークスカラムにわたる還元により、クロムとバナジウムの両方が無機溶融物から還元され、無機溶融物中には検出限界未満にすぎない量でしか存在しない。還元により生成した一酸化炭素を伴って、カラムの頂部で後燃焼が影響を及ぼすことがあり、それは同時に随意的に亜鉛を生成する結果をもたらし、その亜鉛はＣＯの燃焼によってもたらされるＣＯ／ＣＯ_２平衡において亜鉛酸化物に酸化され、これにより経済的な観点から使用がより容易な生成物を直接的にもたらす。亜鉛の凝縮温度を超える温度でＣＯを伴って亜鉛蒸気が引き出される場合、装填シュートの上方に備えられた貯蔵庫にあるコークスを予熱すると、流出溶融物として貯蔵庫から亜鉛を引き出すことが実現可能である。

酸化還元ポテンシャルを低下させるために、本発明の方法の好ましいさらなる開発により、酸素含有ガスが吹き込まれるやり方でプロセス処理される。あるいは、ベッド又はカラムの温度が最初の段階で影響を受けることになる場合は、不活性ガス、ＣＯ_２及び／又はＨ_２Ｏ蒸気及び／又はＣ_ｘＨ_ｙ蒸気が、いうまでもなく、注入されてもよい。ガラス粒子又はガラス溶融物は好ましくは直接的に赤熱コークスに装填され、これにより比較的薄い層という理由により相応に上昇した温度にある本発明の方法の間に、急速なガラス溶融物の清澄又は脱ガスが確実なものとされる。概して、酸化生成物の熱解離による冷却効果が回避されるので、粒状カーボンキャリアーを含む誘導加熱カラム又はベッドを伴って、２０００℃以上の温度は直ぐに得られる。粒状の材料を使用すると、とりわけ、ガス及び液体溶融物に対する望ましい浸透性を確実にするのに役立つ。

さらに、特に有利な、コークスベッド又はコークスカラムの温度に影響を与える方法が実現され、その方法では誘導コイルの効果が働く領域において溶融し且つ還元された溶融物質の量が増加しながら、誘導電流の周波数は低下する。このやり方では、スラグ溶融物が解離しそして金属バスへの還元される間はより高い導電性を示し、そのために低い周波数で熱的に関連づけられるという事実に注意が払われる。例えば、５０ｋＨｚから出発して、周波数は約２０ｋＨｚまで低減可能であり、そして金属バスの領域では１０ｋＨｚ未満になり、消散エネルギー及び溶融熱のそれぞれを維持するようにスラグの分離を伴う。

金属酸化物の還元及び／又は金属の脱ガスのための、本発明による装置は、固体の又は溶融した物質の装填開口部及び処理した溶融物のタップ開口部を備える。本発明により、この型の装置は本質的に、コークスを受入れるための管型または溝型のハウジング及びこのハウジングを取り囲み且つ少なくとも一つの誘導コイルを含む加熱手段によって特徴づけられ、酸化還元ポテンシャルを調整するために、又は局所的な冷却のためにガス供給ダクトがハウジングに繋げられるように、装置の構造が好ましく工夫される。特に単純なやり方で、管型のハウジングが電気的に絶縁された材料、例えばＡｌ_２Ｏ_３、又は少なくとも電気的に絶縁されたフォイル、で構成されるように、及び冷却された誘導コイルによって取り囲まれるように構造が工夫されてもよい。このような電気的に絶縁されたフォイルは、例えば、高温抵抗紙フォイルによって形成されてもよく、その機械的サポートは通常は水で冷却された誘導コイルが最初に備えられる。溶融した物質又は生成した物質を装填するときに、電気的に絶縁されたフォイルは直ちにスラグ又は溶融物の膜で被覆され、この誘導コイルはそれに応じて冷却されるので、従ってカラムの機械的な安定性は実質的に改善されそして耐火物材料の問題は同時に完全に取り除かれる。

粒状のコークスは、管型のハウジングに装填される前に既に余熱されていてもよく、そしてそれに応じたたくさんの消費高で連続的に再装填されてもよい。この態様において、粒状コークスの装填シュートが管型ハウジングに開口するように、構造が都合良く工夫されている。

ベッド又はカラム部分の温度を簡単に変化させることを可能にするために、誘導コイルが管型ハウジングの軸方向にいくつかの部分にさら細かく分けられる設計がされ、ここで分割された温度測定手段及び／又は電力インプット測定手段が管型ハウジングの軸方向に連続した複数の部分に備えられるように、そして電力及び／又はガス及び／又は吹き込むガス体積を調整するために相異なる部分で温度の制御が可能となるように、構造が有利に工夫されている。

溶融物を装填する間に生じた熱い燃焼ガス、そして特にコークスを予熱するためのＣＯの顕熱を使用するために、及び生成する可能性のあるガス状金属蒸気を凝縮するために、予熱ゾーンが都合よく備えられる。この末端には、固体粒子又はスラグ溶融物又はガラス装填手段に接続されるように、コークスベッド又はコークスカラムに突っ込まれそしてコークスに取り囲まれた管が、管型ハウジングの内部に配置されるように、構造が都合良く工夫される。

以下において、本発明の装置の典型的な実施態様を用いて本発明はより詳細に説明され、それは図において概略的に説明される。そこで、図１はコークスカラムを含む反応器の構造を図解し；図２は加熱されたコークスベッドを含むシュート型の改良された反応器の構造を描く；そして図３はさらに、図１に対応する改良された反応器の断面図を示す。

図１において、コークスの貯蔵庫は１と表示され、ここからコークスが投薬プランジャー２を通って反応器３に払い出され、反応器の軸は４と表示される。注入する場所に、又は装填シュートの領域に、誘導コイル５が見られ、コイルを通じてコークスが予熱される。しかしながらこの領域には、コークスが酸素と燃焼されることによりガス化するやり方でも予熱される。コークスベッドバルク６は、装填溝１０を通じて装填されているプレスラグ又はスラグ溶融物とともに、誘導コイル７，８及び９によって加熱される。この溝１０を通じて、コークスベッドが相応に高い加熱状態で粒状材料が相応に当然に装填され、その材料は引き続いてコークスベッドで又はバルク内部で溶融される。プレスラグ溶融物を装填すると、例えばそれは溶融したスラグを生じる任意のプロセスから発生するゆえに、コークスカラムの温度は本質的にスラグ溶融物の温度と対応している。環状の溝１１を通じて、ガス、特に酸素が注入されて一方で酸化還元ポテンシャルの変化を、及び他方では温度の影響を可能にしてもよい。このようにして、耐火材の問題がもはやスラグタップ１２の領域でも起こらないように、スラグタップ１２の領域で鉄酸化物及び重金属酸化物の含まれないスラグ及び金属のタッピングが可能となるように、酸化還元勾配及び温度勾配の両方が、軸長さに渡ってすなわち反応器の軸４の長手方向において、調節可能である。反応器３のハウジングの壁１３は単純な耐火材フォイルによって形成されてもよく、そこは溶融物の溶融と流出の間に溶融物がまき散らされ、このようにして適当なスラグ又は溶融物の膜がもたらされる。コイル７，８及び９は水冷銅伝導体として設計され、それぞれの壁の冷却を保護し、それゆえにスラグ及び溶融物の膜の付着の形成を保護する。タップ開口部１２を通じて引き出される物質が前床１８に達し、そこでスラグは沈殿により金属から分離することが可能であり、スラグタップは１４と表示されそして金属タップは１５と表示される。

原理的に、反応器のカラム又は赤熱コークスカラムの形成を可能にするように、反応器の軸４は垂直に向けられてもよい。しかしながら図から見られるとおり、図２によれば、コークス反応器は、コークスバルク１６の上方に残る個別のガス空間１７を伴う斜交軸を有するように設計されてもよい。この構造においても、コイル７，８及び９の個別の入力制御に加えて反応器の長手方向軸を通じて酸化還元と温度の勾配を調整が可能になるように、ガスが別の断面において環状溝１１を通じて注入される。斜交して配置された反応器の場合、好適なガス空間１７が上述したようにもたらされ、そのような構造は大量の雰囲気中の重金属、すなわち還元状態で気化した金属が存在しているところで、特に有利である。

図３では、軸４を伴う垂直に配置された反応器３が再び図解されている。コークスは貯蔵庫２０からスクリュー１９を通じて引き抜かれそして反応器３へ注入されている。管２１を通じて溶融物２２がタンディッシュ２３から装填され、その管２１はコークス６に突っ込まれている。キャビティ２４から揮発した物質は、管２１を取り巻くコークスカラムの上側の領域で凝縮されるか、又はガス状のもの、例えばＣＯ、が残留している場合にコークスを予熱するのに役立つ。誘導コイルは、順に、９と表示され、前床１８と繋がっており、そこから金属レギュラスとスラグが分かれてタップされる。金属蒸気は煙突２５を通じて引き出される。

金属溶融物の十分な存在及び金属溶融物によるコークス粒子の十分な被覆が全ての反応器に共通している。この還元スラグ溶融物は、コークスベッドの表面に好ましく残留し、特に良好なスラグ相の金属溶融物からの分離も実現可能となっており、これはそれらが大幅に粘度が異なりそして密度が異なるためである。スラグ溶融体は、概して、高い粘性を有し、従って低粘性でそれゆえに実質的にすぐに流れてしまい得る金属溶融物よりも、コークスベッドに粘着しやすい。

装填終了時の後燃焼によってＣＯがＣＯ_２に燃焼され、この後燃焼は基本的に実現可能であり、化石燃料による加熱を供給することによって効率が増す。これに関連して、コークスベッド表面はスラグ溶融物によって被覆され、Ｂｕｏｄｕａｒ反応が大幅に抑制される。概して、実質的に高い度合いの直接還元（これにより金属酸化物がカーボンと反応し液体金属及び一酸化炭素を生成する）は、赤熱したコークスベッドを伴って得られる。間接還元とは対照的にこの直接還元ではＣＯ_２は生成されず、個別のＣＯ_２／ＣＯ部分圧が行き渡っているために、結果として望ましくない再スラグ化または再酸化をもたらす（特にＶ及びＣｒの場合）。

さらに、このコークスベッド内で生じた金属溶融物は、コークスベッドによって浸炭され、及び／又は金属バス内に金属鉄、バナジウム、クロム又はタングステンの炭化物のような溶解性炭化物を生成する。原理的に、比較的短いコークスカラムでさえ、スラグからのクロムを６０ｐｐｍ未満に低減することが実現可能である。

該して、源の異なる液体スラグが利用可能であり、中でも鉄酸化物、リン酸化物、亜鉛酸化物、鉛酸化物、マンガン酸化物、銅酸化物、バナジウム酸化物及びクロム酸化物を単純なやり方で低減することが、実現可能である。スラグ還元自体は吸熱であり、従ってコークスベッド反応器への、個別の熱供給又は電気エネルギーの供給が求められる。コークスの良好な導電性により、高いエネルギー効率が得られる。温度の上昇と共に赤熱したコークスの還元ポテンシャルは上昇し、一方で温度の上昇と共に金属の酸素親和性は低下し、このことから素晴らしい還元性能がもたらされることが注目される。

コークスカラムを含む反応器の構造を図解する。 加熱されたコークスベッドを含むシュート型の改良された反応器の構造を描く。 図１に対応する改良された反応器の断面図を示す。

Claims (12)

1. 金属酸化物スラグ又はガラスを還元し及び／又は無機溶融物を脱ガスする方法であって、少なくとも部分的に誘導加熱される粒状コークスを含むベッド又はカラムに固体粒子及び／又は溶融物を装填し、且つ流出する還元された及び／又は脱ガスされた溶融物を収集することを特徴とする方法。
2. ベッド又はカラムの酸化還元ポテンシャルを、ガスを吹き込むことによって制御し、及びベッド又はカラムの温度を、電力インプットを変化させること及びガスの吹き込みによって制御することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記のガスとして、酸素を含有するガスを吹き込むことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. ガラス粒子又はガラス溶融物を赤熱コークスに装填することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 誘導コイルの効果が働く領域において溶融し且つ還元された溶融物質の量が増すと、誘導電流の周波数が低下することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 固体又は溶融した物質のための装填開口部（１）及び処理した溶融物のためのタップ開口部（１２）を含む、金属酸化物スラグ又はガラスを還元し及び／又は無機溶融物を脱ガスする装置であって、粒状コークス（６）を受入れるための管型又は溝型ハウジング（３）と、ハウジング（３）を取り囲み且つ少なくとも一つの誘導コイル（７，８，９）を含む加熱手段と、によって特徴づけられる装置。
7. ガス供給ダクト（１１）がハウジング（３）に接続されていることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
8. 管型ハウジング（３）が、Ａｌ_２Ｏ_３のような電気的に絶縁されている材料又は少なくとも電気的に絶縁されているフォイルで構成されており、且つ冷却された誘導コイル（７，８，９）によって取り囲まれることを特徴とする、請求項６又は７に記載の装置。
9. 粒状コークスの装填シュートが、管型ハウジング（３）へ開口していることを特徴とする、請求項６〜８のいずれか１項に記載の装置。
10. 誘導コイル（７，８，９）が、管型ハウジング（３）の軸方向でいくつかの部分にさら細かく分けられる設計がされていることを特徴とする、請求項６〜９のいずれか１項に記載の装置。
11. 分割された温度測定手段及び／又は電力インプット測定手段が管型ハウジング（３）の軸方向に連続した複数の部分に備えられることと、電力及び／又はガス及び／又は吹き込むガス体積を調整することによって相異なる部分で温度の制御が可能であることと、を特徴とする請求項６〜１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 固体粒子又はスラグ溶融物又はガラス装填手段と接続されるように、コークスベッド又はコークスカラムに突っ込まれ且つコークスに取り囲まれた管が、管型ハウジング（３）の内部に配置されることを特徴とする、請求項６〜１１のいずれか１項に記載の装置。

Images