JP2023551287A - 金属を含有する原材料、残留材料及び／又は副次残留材料を高温冶金法により溶融するための方法及び溶融ユニット - Google Patents
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Abstract
【課題】従来技術の欠点を克服する方法及び溶融ユニットを提供する。【解決手段】金属を含有する原材料、残留材料及び／又は副次残留材料Ｍを高温冶金法により溶融するための方法であって、該材料が、液体状の溶融相９、液体状のスラグ相１０及び気体相が形成されるように、溶融ゾーン６、メイン反応ゾーン及びサブ反応ゾーン７，８を含む溶融ユニット１へ粉砕された形態で供給され、酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物の存在の下で溶融される、前記方法において、酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物Ｇが、溶融ユニット１における液体状のスラグ相１０の上方で該スラグ相に接触せずに配置されつつ水平線に対して５～８５°の角度に向けられた少なくとも１つのインジェクタ１１を介して液体状のスラグ相１０へ吹き込まれる。
Description
本発明は、酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体の存在下において、金属を含有する原材料、残留材料及び／又は副次残留材料（Ｍ）を高温冶金法により溶融するための方法及び溶融ユニットに関するものである。
金属を含有する原材料、残留材料及び／又は副次残留材料（Ｍ）を高温冶金法により溶融するための方法及び対応する溶融ユニットは、従来技術から基本的に知られている。すなわち、例えば特許文献１には、高温冶金法による溶融物へ流体を供給するためのＴＳＬ（ｔｏｐ ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ ｌａｎｃｉｎｇ）システム及び方法が開示されており、流体、例えば酸素は、溶融物へ直接注入される。
特許文献２には、電気的なアーク炉における、スクラップ、スクラップと鋳鉄の混合物及びスクラップと鉄スポンジの混合物のための溶融方法が開示されている。炉では、酸化性気体が、炉の底部に配置されたブローノズルを通して最大で１０ｂａｒの圧力及び１６８～３６０Ｎｍ３／ｈの流量で供給される。さらに、酸素が、動作位置において溶融された金属の表面の直上、したがってスラグ相内で動作する超音速ランスを用いて溶融物浴へ供給される。このとき、超音速ランスは、水平線に対して４０～５０°の角度で溶融物浴へ導入される。
さらに、特許文献３には、溶融物反応炉を用いて副次材料から成る金属を回収するための方法が開示されている。当該溶融物反応炉は、冷却可能な反応炉壁部で画定された円形状のチャンバを備えている。酸素が溶融物へ直接注入可能であるとともに溶融物が円形状のチャンバ内で回転され得るように、反応炉壁部には、複数の酸素ランスが、スラグ開口部の下方で水平線に対して５～６０°の角度でチャンバの中央に対してオフセットをもって配置されている。
溶融物とのランスの直接的な接触によって、従来技術から公知のランスは、非常に粗い条件により大きな摩耗にさらされてしまう。そのため、専門家の間では、このような方法及び対応する溶融ユニットを改善する要望がある。
したがって、本発明の基礎となる課題は、従来技術の欠点を克服する方法及び溶融ユニットを提供することにある。
当該課題は、本発明により、請求項１の特徴を有する方法によって、及び請求項１４の特徴を有する溶融ユニットによって解決される。
金属を含有する原材料、残留材料及び／又は副次残留材料を高温冶金法により溶融するための本発明による方法によれば、これら材料は、液体状の溶融相、液体状のスラグ相及び気体相が形成されるように、溶融ゾーン、メイン反応ゾーン及びサブ反応ゾーンを含む溶融ユニットへ粉砕された形態で供給され、酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物の存在の下で溶融される。
方法は、酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物が、溶融ユニットにおける液体状のスラグ相の上方で該スラグ相に接触せずに配置されつつ水平線に対して５～８５°の角度に、好ましくは１５～８０°の角度に、より好ましくは２５～７５°の角度に、更により好ましくは３５～７０°の角度に向けられた少なくとも１つのインジェクタを介して液体状のスラグ相へ吹き込まれることを特徴としている。
同様に、本発明は、反応炉壁部によって画定された溶融ゾーンと、メイン反応ゾーン及びサブ反応ゾーンと、反応炉壁部に配置された少なくとも１つのインジェクタとを備えた、酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物の存在の下で金属を含有する原材料、残留材料及び／又は副次残留材料を高温冶金法により溶融するための溶融ユニットを企図している。
溶融ユニットは、少なくとも１つのインジェクタが、サブ反応ゾーンに配置されているとともに、酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物が液体状のスラグ相の上方で該液体状のスラグ相へ吹き込まれることできるように水平線に対して５～８５°の角度に、好ましくは１５～８０°の角度に、より好ましくは２５～７５°の角度に、更により好ましくは３５～７０°の角度に向けられていることを特徴としている。
したがって、本発明によれば、酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物は、液体状のスラグ相のバスレベル上方に配置された、水平線に対して特有の角度で位置決めされた少なくとも１つのインジェクタを介して当該スラグ相へ吹き込まれるか、吹き込まれることが可能であるように構成されている。酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物のこのような注入によって、液体状のスラグ相は、乱流が液体状のスラグ相の上方に配置されサブ反応ゾーンにある気体相へ噴射されるように、強い乱流にさらされる。このとき、驚くべきことに、これにより、液体状のスラグ相に比べて少なくともファクタ５だけ、好ましくは少なくともファクタ６だけ、より好ましくは少なくともファクト７だけ、最も好ましくは少なくともファクタ８だけ大きな表面がプロセスにおいて達成され、当該表面は、液体状のスラグ相の上方に配置されサブ反応ゾーンにある気体相との特に集中的な接触並びにより大きな物質移動及びエネルギー移動をもたらす。少なくとも１つのインジェクタを水平線に対して特有の角度で配置することにより、液体状のスラグ相は更に回転を受けるため、メイン反応ゾーン内にも、またサブ反応ゾーン内にも、乱流を更に補助する渦が形成される。したがって、特に効果的な冶金上の反応に寄与する最大限に乱れた環境を溶融ユニット内に得ることができる。
本発明の有利な更なる形態は、各従属請求項に記載されている。独立請求項において個別に表された特徴は、技術的に意義がある態様で互いに組み合わせられることが可能であるとともに、本発明の別の態様を規定することが可能である。さらに、各請求項に記載された特徴は本明細書において詳細に規定及び説明され、本発明の更なる好ましい形態が示される。
「接触せず（あるいは非接触）」という用語は、本発明の意味合いでは、酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物を溶融ユニットへ注入可能な少なくとも１つのインジェクタが、吹き込み中にも、またその間のプロセスステップにおいても液体状のスラグ相と連続的に接触せず、液体状のスラグ相に対して特有の間隔をもって、したがってプロセス全体を通してバスレベルの上方に位置決めされていることと理解される。その例外は、プロセス中に強い乱流に依存して生じ、したがって回避できない、液体状のスラグ相及び／又は液体状の溶融相の個々の液滴の一時的な接触である。
「インジェクタ」という用語は、本発明の意味合いでは、特にほかに規定しない限り、ランス又は本質的に中空円筒上の要素で形成された噴射パイプと理解される。
「溶融ユニット」という用語は、本発明の意味合いでは、円形又は四角形のベース面に立設された中空円筒、中空円すい又は中空立方体を含む通常の溶融ユニットと理解され、中空円筒、中空円すい又は中空立方体の高さは、その長さ及び幅の数倍を有している。そのため、好ましくは、溶融ゾーンの上方に配置された溶融ユニットのメイン反応ゾーンは、本質的に円形状及び／又はだ円状に形成された断面を有しているように構成されている。
例えば電気アーク炉（ＥＡＦ）、サブマージドアーク炉（ＳＡＦ）又は誘導炉のような、従来技術から当業者に知られている別の溶融ユニットは、本発明には含まれていない。
有利には、酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物を非接触に液体状のスラグ相へ吹き込む少なくとも１つのインジェクタは、インジェクタ先端部について、液体状のスラグ相の表面に対して、０．１０ｍの最小間隔、好ましくは０．１５ｍの最小間隔、より好ましくは０．２０ｍの最小間隔、更により好ましくは０．２５ｍの最小間隔、最も好ましくは０．３０の最小間隔を有するようになっている。既に説明した、特に効果的な冶金上の反応をもたらす、隣り合う気体相との液体状のスラグ相のかき混ぜ作用及び乱流による混合のほかに、液体状のスラグ相に対して離間した配置により、インジェクタの大幅な摩耗低減が更に得られる。これにより、従来技術から公知の解決手段では非常に大きく、コストがかさむメンテナンスの手間が必要なインジェクタの詰まりも効果的に防止される。
ただし、酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物を非接触に液体状のスラグ相へ吹き込む少なくとも１つのインジェクタは、液体状のスラグ相の表面に対する最大間隔を超過すべきではない。そのため、有利には、少なくとも１つのインジェクタは、インジェクタ先端部について、液体状のスラグ相の表面に対して、２．５０ｍの最大間隔、好ましくは２．０ｍの最大間隔、より好ましくは１．５０ｍの最大間隔、更により好ましくは１．０ｍの最大間隔、最も好ましくは０．８０の最大間隔を有するようになっている。
これに関連して、液体状のスラグ相のバスレベルは、プロセス全体を通して、静的なバスレベルあるいはスラグレベルを有さず、むしろ異なるプロセス段階に基づき変化し得る。そのため、特に有利には、酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物を非接触に液体状のスラグ相へ吹き込む少なくとも１つのインジェクタは、液体状のスラグ相の表面に対して、０．３０～２．０ｍの範囲の間隔、特に好ましくは０．５０～１．７０ｍの範囲の間隔が保証されるように位置決めされるようになっている。
好ましくは、酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物は、当該気体が液体状のスラグ相へ１／４の最小深さで、好ましくは１／３の最小深さで、より好ましくは２／４の最小深さで、更により好ましくは２／３の最小深さで、最も好ましくは３／４の最小深さで入り込むように液体状のスラグ相へ吹き込まれる。注入される酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物の速度及び気体流パルスの特有の設定によって、必要に応じて、及び両パラメータに依存して液体状のスラグ相までの入り込みも達成可能であるように、入り込み深さを調整可能である。したがって、必要であれば、液体状のスラグ相の下方に配置された、金属を含む溶融相も操作されることが可能である。加えて、気体噴流によって、液体状のスラグ相におけるキャビテーションが短時間生じ、そして、金属を含有する原材料、残留材料及び／又は副次残留材料は、キャビテーションへ巻き込まれ、スラグ相内でより良好に分解されることが可能である。
有利な一実施態様では、少なくとも１つのインジェクタ（１１）を介して液体状のスラグ相へ吹き込まれる酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物は、少なくとも５０ｍ／ｓの速度で、好ましくは少なくとも１００ｍ／ｓの速度で、より好ましくは少なくとも１５０ｍ／ｓの速度で、更により好ましくは少なくとも２００ｍ／ｓの速度で、更に好ましくは少なくとも２５０ｍ／ｓの速度で、最も好ましくは少なくとも３００ｍ／ｓの速度で吹き込まれ、ここで挙げた速度値は、各気体がインジェクタから出るとき、すなわちその先端部から出るときに有する出口速度である。
最大の速度については、好ましくは、酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物が最大で１０００ｍ／ｓの速度で、より好ましくは最大で８００ｍ／ｓの速度で、更により好ましくは最大で６００ｍ／ｓの速度で、更に好ましくは最大で５５０ｍ／ｓの速度で、最も好ましくは最大で４５０ｍ／ｓの速度で液体状のスラグ相へ吹き込まれるように構成されている。
これに関連して、特に好ましくは、少なくとも１つのインジェクタは、酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物を液体状のスラグ相へ吹き込むラバールノズルを含むように構成されている。ラバールノズルは、ノズルスロートにおいて互いに隣り合う収束的な部分及び拡散的な部分を含むことを特徴としている。最も狭い断面における半径、出口半径及びノズル長さは、それぞれの設計ケースに依存して異なっていてよい。このようなラバールノズルは特許文献４から知られており、ここでは、当該文献が参照されるとともに本発明の開示の一部である。
有利な別の一実施態様では、ラバールノズルは、第２の酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物をスラグ相へ吹き付けることができる同軸ノズルあるいはリング隙間ノズルを更に備えている。第１の酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物が、液体状のスラグ相へ入り込むように、好ましくは超音速性のラバールノズルを含むインジェクタを用いて液体状のスラグ相へ吹き込まれる一方、第２の酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物は、リング隙間ノズルを介してスラグ相へ単に吹き付けられ、当該スラグ相へ入り込まない。したがって、第２の酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物は、本発明の意味合いでは「シース気体」と呼ばれるのに対し、第１の酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／気体混合物は、更に「反応気体」と呼ばれる。
第１及び／又は第２の酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物は、好ましくは、酸素、空気及び／又は酸素富化された空気を含む群から選択されている。第１及び／又は第２の酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物は、好ましくは、天然ガス、特にメタン、一酸化炭素、水蒸気、水素、特にグリーン水素及び／又はこれらの気体混合物を含む群から選択されている。第１及び／又は第２の酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物は、好ましくは、窒素、アルゴン、二酸化炭素及び／又はこれらの気体混合物を含む群から選択されている。
グリーン水素という用語は、本発明の意味合いでは、水を酸素と水素に電気分解式に分解することで生成されたものと理解され、電気分解に必要な電流は、風、水力及び／又は太陽光のような再生可能エネルギーに由来する。
反応気体のほか、更に反応性及び／又は不活性のシースガス及び／又はシースガス混合物を溶融ユニットへ導入する選択肢により、有利には、化学ポテンシャルの制御並びに液体状のスラグ相及び気体相における酸素分圧の調整が可能となる。このとき、気体相の化学ポテンシャルは、溶融されるべき金属を含有する原材料、残留材料及び／又は副次残留材料に基づく反応において、インジェクタを介して導入される反応気体の反応において、これにより得られる、液体状の溶融相及びスラグ相における反応気体ブローの反応において、並びに供給されるシース気体の反応において形成される。
好ましい一実施態様では、液体状のスラグ相へ吹き込まれる反応気体の組成を一定に維持することができる一方、シース気体の組成は、気体雰囲気の化学ポテンシャルの最適な制御についての要件に依存して目的に合わせて変更されることが可能である。
補足的に、又は代替的に、好ましい別の一実施態様では、スラグ相へ吹き込まれるシース気体の組成を一定に維持することができる一方、液体状のスラグ相へ供給される反応気体又は反応気体混合物の組成は、化学ポテンシャルの最適な制御についての要件に依存して目的に合わせて変更されることが可能である。
反応気体が液体状のスラグ相へ吹き込まれる好ましい流量は、少なくとも３００Ｎｍ３／ｈ、好ましくは少なくとも３５０Ｎｍ３／ｈ、より好ましくは少なくとも４００Ｎｍ３／ｈ、更により好ましくは少なくとも４５０Ｎｍ３／ｈ、最も好ましくは少なくとも５００Ｎｍ３／ｈである。流量は基準に依存する量であるため、流量は、ユニットサイズに依存してより大きいこともあり得る。
既に上述したように、液体状のスラグ相は、少なくとも１つのインジェクタを水平線に対して特有の角度で配置されることにより回転を受けるため、メイン反応ゾーン内でも、またサブ反応ゾーン内でも渦が形成される。液体状のスラグ相における特に効率的な渦と、また粉砕された金属を含有する原材料、残留材料及び／又は副次残留材料の添加に関して有利に作用する渦とを得るために、好ましくは、反応気体は、少なくとも１つのインジェクタを介して仮想的な流れリングに対して接線方向にスラグ相へ吹き込まれ、流れリングは、メイン反応ゾーンの内径の０．１～０．９倍、より好ましくは内径の０．１～０．８倍、更により好ましくは内径の０．２～０．７倍、最も好ましくは内径の０．２～０．６倍に相当する。有利なことに、液体状のスラグ相の特有の回転速度においては、旋回流（旋風）をその中央に形成することができ、当該旋回流を介して、粉砕された金属を含有する原材料、残留材料及び／又は副次残留材料を液体状のスラグ相へ直接導入することが可能であり、及び／又は少なくとも直接液体状のスラグ相によって受け入れられることができ、したがって、プロセスにおいて本質的により迅速に分解されることが可能であることが分かった。従来技術から公知のプロセスとは異なり、分解プロセスは、所望のメイン反応ゾーンあるいは液体状のスラグ相において行われ、その表面では行われない。
そのため、特に有利な一実施態様では、金属を含有する原材料、残留材料及び／又は副次残留材料は、液体状のスラグ相の上方に配置された溶融ユニットの開口部を通して、目的に合わせてスラグ相の中央へ提供されるように構成されている。
特に有利には、反応気体が、溶融ユニットの壁部に配置された、少なくとも２つの、より好ましくは少なくとも３つの、更により好ましくは少なくとも４つの、最も好ましくは少なくとも５つのインジェクタを介して液体状のスラグ相へ吹き込まれる場合に上述の作用が生じ、複数のインジェクタは、特に有利には溶融ユニットの周囲に沿って同一の間隔で配置されている。
補足的に、及び／又は代替的に、粉砕された及び／又は場合によっては粉末状の金属を含有する原材料、残留材料及び／又は副次残留材料を、少なくとも１つのインジェクタの範囲に配置された、少なくとも１つの、好ましくは少なくとも２つの、より好ましくは少なくとも３つのインジェクタランスを介して液体状のスラグ相へ添加することが可能である。粉砕された、及び／又は場合によっては粉末状の材料は、少なくとも１つの、有利には複数のインジェクションランスを介して、液体状のスラグ相へ直接、より好ましくは少なくとも１つのインジェクタにより生成される液体状のスラグ相内のキャビテーションへ直接、及び／又はインジェクタの気体噴流へ直接吹き込まれることができ、これにより、粉砕された、及び／又は粉末状の金属を含有する原材料、残留材料及び／又は副次残留材料がその後液体状のスラグ相へ至る。したがって、これら材料は、最小の損失で効果的に実施されることが可能である。材料が０．０１～５．０ｍｍの平均粒径、好ましくは３．５ｍｍより小さな平均粒径、より好ましくは３．０より小さな平均粒径を有していれば、特に効果的な実施が達成される。
別の好ましい一実施態様では、少なくとも１つのインジェクタを介してスラグ相へ吹き込まれる反応気体を脈動させることが可能である。
本溶融プロセスにおいて用いられる金属を含有する原材料、残留材料及び／又は副次残留材料は、当該材料が炭化水素の顕著な割合を含む限り、溶融プロセスの集中的な冷却を必要とする大きなエネルギー容量を有し得る。そのため、特に好ましい一実施態様では、酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物は、少なくとも１つのインジェクタを介して圧縮して供給されるとともに、溶融ユニット内で断熱膨張し、その後、断熱膨張した気体及び／又は気体混合物が液体状のスラグ相へ吹き込まれるようになっている。酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物あるいは反応気体の断熱膨張により、溶融ユニットの内部で直接的な冷却作用が生じ、当該冷却作用によって、プロセスのエネルギー収支／熱収支を目的に合わせて制御することが可能である。したがって、好ましくはラバールノズルを含むインジェクタの圧力、流れ及び／又はノズル幾何形状の調整を介して、少なくとも１０Ｊ／Ｎｍ３の冷却作用、より好ましくは少なくとも１００Ｊ／Ｎｍ３の冷却作用、更により好ましくは少なくとも１．０ｋＪ／Ｎｍ３の冷却作用、最も好ましくは少なくとも５．０ｋＪ／Ｎｍ３の冷却作用を達成可能であるように反応気体の断熱膨張を設定することが可能である。
出力値について、これは、ＤＩＮ１３４３：１９９０－０１によるノルマルリューベ（Ｎｍ３）についての出力表現であることに留意すべきである。
達成可能な冷却作用の最大値は、基本的にジュールトムソン効果によって物理的に限定されている。そのため、好ましくはラバールノズルを含むインジェクタの圧力、流れ及び／又はノズル幾何形状の調整を介して、最大で１００ｋＪ／Ｎｍ３の冷却作用、より好ましくは最大で９０ｋＪ／Ｎｍ３の冷却作用、更により好ましくは最大で８０ｋＪ／Ｎｍ３の冷却作用、最も好ましくは最大で７０ｋＪ／Ｎｍ３の冷却作用を達成可能であるように反応気体の断熱膨張を設定することが可能である。
ここで記載される冷却作用は、正のジュールトムソン係数μを有する気体及び／又は気体混合物によってのみ達成可能であることに留意すべきである。
さらに、有利には、溶融ユニット内での反応気体の断熱膨張により、液体状のスラグ相の大きな特有の表面の形成を再び高めることができ、当該形成は、最終的に周囲の気体雰囲気との特に集中的な接触につながるとともに、化学反応及びその反応率を高めることが分かった。
冷却媒体としても用いられる反応気体を用いた溶融ユニットの内部における直接的な冷却によって、有利には、通常は冷却パネル及び／又は冷却通路を用いて行われる外部の冷却手段を拡張することができ、これにより、冷却マネジメント全体が本質的に単純化及び改善される。また、直接的な冷却によって、溶融ユニットの耐火ライニングの寿命を延長することができ、これは、溶融ユニットの動作経済性に有利に作用する。
本発明による方法は、基本的に、金属を含有する原材料、残留材料及び／又は副次残留材料を高温冶金法により溶融するために設定されている。特に、これは、特に有機スクラップのような、アンチモン、ビスマス、鉛、鉄、ガリウム、金、インジウム、銅、ニッケル、パラジウム、白金、ロジウム、ルテニウム、銀、亜鉛及び／又はスズを含有する原材料、残留材料及び／又は副次残留材料である。
本発明の意味合いでは、有機成分を含むスクラップが有機スクラップとして理解される。好ましい有機スクラップは、電子機器スクラップ、自動車シュレッダスクラップ及び／又は変圧器シュレッダスクラップ、特にシュレッダ軽量断片を含む群から選択されている。
「電子機器スクラップ」という用語は、本発明の意味合いでは、ＥＵガイドライン２００２／９６／ＥＧに適合して規定された古い電子機器と理解される。当該ガイドラインにより把握される機器カテゴリは、大型家庭器具；小型家庭器具；ＩＴ機器及び遠距離通信機器；エンターテイメント電子機器；照明機器；電気工具及び電子工具（固定された産業用大型工具を除く）；電気式の玩具、スポーツ機器及び娯楽機器；医療機器（移植及び汚染された全ての製品を除く）；監視機器及び管理機器並びに自動化された出力機器に関するものである。対応する機器カテゴリに適合する個々の製品については、ガイドラインの付録ＩＢが参照される。
別の態様では、本発明は、金属を含有する原材料、残留材料及び／又は副次残留材料を高温冶金法により溶融するための方法に関するものであり、該材料は、液体状の溶融相、液体状のスラグ相及び気体相が形成されるように、溶融ゾーン、メイン反応ゾーン及びサブ反応ゾーンを含む溶融ユニットへ粉砕された形態で供給され、酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物が、少なくとも１つのインジェクタを介して圧縮して供給され、溶融ユニット内で断熱膨張され、その後、好ましくは１０Ｊ／Ｎｍ３の冷却作用が達成されるように、断熱膨張された気体及び／又は気体混合物として液体状のスラグ相へ吹き込まれる。
以下に、本発明及び技術的な周縁を図面に基づき詳細に説明する。本発明は、示される実施例によって限定されるべきではないことに留意すべきである。特に、特に明示しない限り、図面において説明される事項の部分的な太陽を抽出し、本明細書及び／又は図面に基づく他の構成要素及び認識と組み合わせることも可能である。特に、各図及び特に図示の大きさの比率は単に概略的なものであることに留意すべきである。同一の符号は同一の対象を表すため、場合によっては、他の図に基づく説明を補足的に考慮に入れることが可能である。
図１には本発明による溶融ユニット１の一実施態様が概略的に図示されており、当該溶融ユニットは、酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物Ｇの存在の下で、以下では溶融されるべき材料Ｍと呼ばれる金属を含有する原材料、残留材料及び／又は副次残留材料の高温冶金法による溶融のために設けられている。酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物Ｇは、以下では反応気体Ｇと呼ばれる。
ここに示す溶融ユニット１は従来のバス溶融ユニットの形態で形成されており、当該溶融ユニットは、下方の範囲においてベース面２と、ベース面２から垂直に延在する本質的に円筒状に形成された反応炉壁部３とを含んでおり、当該反応炉壁部は、円すい状に形成された第１の範囲４と、円すい状に形成された第２の範囲５とを備えている。溶融ユニット１は、溶融ゾーン６、メイン反応ゾーン７及びサブ反応ゾーン８を含んでいる。
溶融ユニット１の円すい状の第１の範囲４は、溶融ゾーン６及びメイン反応ゾーン７を含むように構成されている。メイン反応ゾーン７の上方でサブ反応ゾーン８が延在している。
円すい状の第１の範囲４では、液体状の溶融相９と、液体状のスラグ相１０が形成されるように、粉砕された溶融されるべき材料Ｍは、反応気体Ｇの存在の下で溶融される。
図１における図示に基づき分かるように、反応気体Ｇは、反応炉壁部３に配置されたインジェクタ１１を介して溶融ユニット１へ吹き込まれる。インジェクタ１１は、リング要素１２において、円すい状の第１の範囲４と円すい状の第２の範囲５の間に配置されており、リング要素は、特有に形成されているとともに水冷されるポート１３を含んでおり、当該ポートには、インジェクタ１１が適当に位置決めされている。
ここで示される実施態様では、反応気体Ｇは、溶融ユニット１において液体状のスラグ相１０の上方あるいはサブ反応ゾーン８に配置されたインジェクタ１１を介してスラグ相１０へ吹き込まれる。図示から分かるように、インジェクタ１１は、特有の角度で向けられているとともに、液体状のスラグ相１０の上方に配置されている。当該角度は、例えば、水平線Ｈに対して５～８５°の範囲にあり得る。
各インジェクタ１１はそれぞれラバールノズル１４を備えており、反応気体Ｇは、ラバールノズルを介して超音速でスラグ相１０へ吹き込まれることが可能である。また、反応気体Ｇは、好ましくはそれぞれラバールノズル１４を含むインジェクタ１１を介して、圧縮されて溶融ユニット１へ供給され、溶融ユニット１内では、断熱的に膨張（断熱膨張）され、そして、特に好ましくは、発熱的に進行する反応プロセスにおいてプロセスに適合する熱量が奪われ得るように、断熱的に膨張（断熱膨張）する反応気体として液体状のスラグ相１０へ吹き込まれる。
さらに、各インジェクタ１１は外側に同軸ノズル１５を含んでおり、当該同軸ノズルを介してシース気体（不図示）を液体状のスラグ相１０へ吹き付けることが可能である。
図２には、切断線Ａ－Ａによる溶融ユニット１の図が示されている。分かるように、ここでは、特に互いに同一の間隔で配置された３つのインジェクタ１１であり、反応気体Ｇは、当該インジェクタを介して仮想的な流れリング１６に対して接線方向へ液体状のスラグ相１０に吹き込まれ、流れリング１６は、メイン反応ゾーン７の内径の０．１～０．９倍に相当する直径を包囲し得る。
溶融されるべき材料Ｍは、スラグ相１０の上方に配置された溶融ユニット１の開口部１７を通してスラグ相の中央へ提供されることが可能である。これに加えて、又はこれに代えて、インジェクタ１１の範囲に配置されたインジェクションランス１８を介して、溶融されるべき材料を液体状のスラグ相１０に供給することも可能である。
１ 溶融ユニット
２ ベース面
３ 反応炉壁部
４ 円すい状の第１の範囲
５ 円すい状の第２の範囲
６ 溶融ゾーン
７ メイン反応ゾーン
８ サブ反応ゾーン
９ 溶融相
１０ スラグ相
１１ インジェクタ
１２ リング要素
１３ ポート
１４ ラバールノズル
１５ 同軸ノズル
１６ 仮想的な流れリング
１７ 開口部／供給システム
１８ インジェクションランス
Ｍ 溶融されるべき材料
Ｈ 水平線
Ｇ 反応気体
２ ベース面
３ 反応炉壁部
４ 円すい状の第１の範囲
５ 円すい状の第２の範囲
６ 溶融ゾーン
７ メイン反応ゾーン
８ サブ反応ゾーン
９ 溶融相
１０ スラグ相
１１ インジェクタ
１２ リング要素
１３ ポート
１４ ラバールノズル
１５ 同軸ノズル
１６ 仮想的な流れリング
１７ 開口部／供給システム
１８ インジェクションランス
Ｍ 溶融されるべき材料
Ｈ 水平線
Ｇ 反応気体
Claims (16)
- 金属を含有する原材料、残留材料及び／又は副次残留材料（Ｍ）を高温冶金法により溶融するための方法であって、該材料が、液体状の溶融相（９）、液体状のスラグ相（１０）及び気体相が形成されるように、溶融ゾーン（６）、メイン反応ゾーン及びサブ反応ゾーン（７，８）を含む溶融ユニット（１）へ粉砕された形態で供給され、酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物の存在の下で溶融される、前記方法において、
酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物（Ｇ）が、溶融ユニット（１）において液体状のスラグ相（１０）の上方で該スラグ相に接触せずに配置されつつ水平線に対して５～８５°の角度に向けられた少なくとも１つのインジェクタ（１１）を介して液体状のスラグ相（１０）へ吹き込まれることを特徴とする方法。 - 酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物（Ｇ）を非接触に液体状のスラグ相（１０）へ吹き込む少なくとも１つのインジェクタ（１１）が、スラグ相（１０）の表面に対して、０．１０ｍの最小間隔、好ましくは０．１５ｍの最小間隔、より好ましくは０．２０ｍの最小間隔、更により好ましくは０．２５ｍの最小間隔、最も好ましくは０．３０の最小間隔を有していることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 少なくとも１つのインジェクタ（１１）を介して液体状のスラグ相（１０）へ吹き込まれる酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物（Ｇ）が、少なくとも５０ｍ／ｓの速度で、好ましくは少なくとも１００ｍ／ｓの速度で、より好ましくは少なくとも１５０ｍ／ｓの速度で、更により好ましくは少なくとも２００ｍ／ｓの速度で、更に好ましくは少なくとも２５０ｍ／ｓの速度で、最も好ましくは少なくとも３００ｍ／ｓの速度で吹き込まれることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
- 少なくとも１つのインジェクタ（１１）が、酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物（Ｇ）を液体状のスラグ相（１０）へ吹き込むラバールノズル（１４）と、好ましくは更に、第２の酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物（Ｇ）を液体状のスラグ相（１０）へ吹き付ける同軸ノズル（１５）とを含む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。
- 第１の酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物（Ｇ）が、少なくとも３００Ｎｍ３／ｈの流量で、好ましくは少なくとも３５０Ｎｍ３／ｈの流量で、より好ましくは少なくとも４００Ｎｍ３／ｈの流量で、更により好ましくは少なくとも４５０Ｎｍ３／ｈの流量で、最も好ましくは少なくとも５００Ｎｍ３／ｈの流量でスラグ相（１０）へ吹き込まれ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。
- 溶融ゾーン（６）の上方に配置された溶融ユニット（１）のメイン反応ゾーン（７）が、本質的に円形状及び／又はだ円状に形成された断面を有していることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の方法。
- 第１の酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物（Ｇ）が、少なくとも１つのインジェクタ（１１）を介して仮想的な流れリング（１６）に対して接線方向へ液体状のスラグ相（１０）に吹き込まれ、流れリング（１６）が、メイン反応ゾーン（７）の内径の０．１～０．９倍に相当する直径を包囲することを特徴とする請求項６に記載の方法。
- 少なくとも１つのインジェクタ（１１）を介して液体状のスラグ相（１０）へ吹き込まれる第１の酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物（Ｇ）が脈動されることを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の方法。
- 酸化性気体及び／又は気体混合物（Ｇ）が、酸素、空気及び／又は酸素富化された空気を含む群から選択され、還元性気体及び／又は気体混合物が、天然ガス、特にメタン、一酸化炭素、水蒸気、水素、特にグリーン水素及び／又はこれらの気体混合物を含む群から選択され、不活性気体及び／又は気体混合物が、窒素、アルゴン、二酸化炭素及び／又はこれらの気体混合物を含む群から選択されることを特徴とする請求項１～８のいずれか１項に記載の方法。
- 第１の酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物（Ｇ）が、少なくとも１つのインジェクタ（１１）を介して圧縮されて供給され、溶融ユニット（１）内で断熱膨張され、その後、好ましくは、１０Ｊ／Ｎｍ３～１００ｋＪ／Ｎｍ３の範囲の冷却作用が達成されるように、断熱膨張された気体及び／又は気体混合物として液体状のスラグ相（１０）へ吹き込まれることを特徴とする請求項１～９のいずれか１項に記載の方法。
- 金属を含有する原材料、残留材料及び／又は副次残留材料が、液体状のスラグ相（１０）の上方に配置された開口部（１７）を通して液体状のスラグ相（１０）の中央へ提供されることを特徴とする請求項１～１０のいずれか１項に記載の方法。
- 金属を含有する原材料、残留材料及び／又は副次残留材料が、場合によっては追加的に、溶融ユニット（１）の壁部（３）に配置された少なくとも１つのインジェクションランス（１８）を通して液体状のスラグ相（１０）へ吹き込まれることを特徴とする請求項１～１１のいずれか１項に記載の方法。
- 少なくとも１つのインジェクションランス（１８）が、少なくとも１つのインジェクタ（１１）の範囲に配置されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
- 反応炉壁部（３）によって画定された溶融ゾーン（６）と、メイン反応ゾーン及びサブ反応ゾーン（７，８）と、反応炉壁部（３）に配置された少なくとも１つのインジェクタ（１１）とを備えた、酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物の存在の下で金属を含有する原材料、残留材料及び／又は副次残留材料（Ｍ）を高温冶金法により溶融するための溶融ユニット（１）において、
少なくとも１つのインジェクタ（１１）が、サブ反応ゾーン（８）に配置されているとともに、酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物（Ｇ）が液体状のスラグ相（１０）の上方で該液体状のスラグ相へ吹き込まれることできるように水平線に対して５～８５°の角度に向けられていることを特徴とする溶融ユニット。 - 少なくとも１つのインジェクタ（１１）が、反応炉壁部（３）内の場合によっては冷却されるポート（１３）に入れられていることを特徴とする請求項１４に記載の溶融ユニット（１）。
- 金属を含有する原材料、残留材料及び／又は副次残留材料（Ｍ）を高温冶金法により溶融するための方法であって、該材料が、液体状の溶融相（９）、液体状のスラグ相（１０）及び気体相が形成されるように、溶融ゾーン（６）、メイン反応ゾーン及びサブ反応ゾーン（７，８）を含む溶融ユニット（１）へ粉砕された形態で供給され、酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物の存在の下で溶融される、前記方法において、
酸化性気体、還元性気体及び／又は不活性気体及び／又は気体混合物（Ｇ）が、少なくとも１つのインジェクタ（１１）を介して圧縮して供給され、溶融ユニット（１）内で断熱膨張され、その後、好ましくは１０Ｊ／Ｎｍ３の冷却作用が達成されるように、断熱膨張された気体及び／又は気体混合物として液体状のスラグ相（１０）へ吹き込まれることを特徴とする方法。
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