NO180204B - Fremgangsmåte for gjenvinning av metallinnhold i presipitater fra metallurgisk avfall og avfallsstöv ved suspensjonssmelting - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for gjenvinning av de verdifulle metallinnholdene i ikke-brennbare metallurgiske avfallspresipitater, støv og mellomprodukter, så vel som gjennvinning av dårlig oppløselige slagg. Gjenvinningen av verdifulle metaller og dannelsen av et dårlig løsbart produkt blir utført i en suspensjons-smeltesovn, hvor smeltingen av presipitåtene og støvet skjer hovedsakelig under reduserende betingelser.

Metallurgiske avfall i form av presipitater og støv inneholder ofte flyktige metaller som sink og bly. På en annen side inneholder avfallet ofte en stor del jern som en ubrukelig avfallskomponent. I et fint pulverisert presipitat eller støv er metallene i det minste delvis oppløselige på grunn av deres store spesifikke overflate. Vanligvis er avfallet ikke-brennbart. Som eksempel på denne type presipitater kan man nevne hydrometallurgiske presipitater fra sinkanlegg, slik som jarositt, mellomproduktet fra metalli-sering av oppløsning, goethit, urent hematitt og lignende, så vel som filterstøv fra stålanlegg.

Når suspensjonssmelting blir brukt ved behandling av avfallet som presipitat eller støv, blir det de flyktige komponentene konsentrert som røkstøv hvorfra de kan gjenvunnet ved hjelp av vanlige metallproduksjonsprosesser. Jern forblir i slagget og på grunn av at slagget er dårlig oppløselig er det ufarlig for omgivelsene og kan brukes for eksempel for bygningsformål og sandblåsing. Siden smeltingen av avfallet krever energi kan ikke den normale metallurgiske varmeproduserende suspen-sjonssmeltingsteknikken brukes, men all den nødvendige energien for smeltingen blir tilført utenfra.

Innen kjent teknikk er det kjent en fremgangsmåte og apparatur, se spesielt US-PS 4.654.077 og 4.732.368, for smelting av avfall og slagg. Ifølge denne fremgangsmåten blir avfallet smeltet i en vertikalt to-delt smelteovn av stål og som er avkjølt av vann. Til den øvre delen av reaktoren blir det ført oksygen eller oksygenanriket luft og brennstoff, som brenner i den første sonen av reaktoren. Temperaturen i den første sonen er over 2000°C. Det dannede røkstøvet strømmer ned til den neste sonen, idet det til den øvre delen også blir ført noe oksyderende gass for å øke turbulensen. Materialet som skal smeltes blir så ført inn i denne andre sonen, hvor røkgassene kommer inn ovenfra og oppvarmer materialet, slik at den blir smeltet og verdifulle metaller, som sink og bly, fordampes. Diameteren i den nedre delen av smelteovnen er større enn den i det øvre forbrenningskammeret, fordi det økte tverrsnittsarealet i smelteovnsrommet gir en bedre blanding av materialet med de varme gassene. Både gassene som er rik på de flyktige metallene og det smeltede produktet blir sluppet ut gjennom bunnen av smelteovnen.

Det er noen ulemper med den ovenfor beskrevne kjente fremgangsmåten og apparatur. Varmetapene i apparaturen er stor, fordi en vannkjølt smelteovn av stålkonstruksjon som kjent ikke er så økonomisk som en forbrenningsovn foret med Stener. Dessuten er den ovenfor beskrevne to-trinnsprosessen ikke fordelaktig for varmeøkonomien, fordi brennstoffet blir brent i den øvre delen av reaktoren. Dessuten må temperaturen i røkgassene som blir dannet ved brenningen, være tilstrekkelig høy for å muliggjøre at gassene varmer opp og smelter det ikke-brennbare materialet som blir ført inn i det andre trinnet.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det nå utviklet en fremgangsmåte som er særpreget ved at det inn i den øvre del av reaksjonsskaftet i en f lash-smelteovn tilføres forbrenningsgass og brensel gjennom brennere, radielt fra buen i forbrenningsovnen, og inn i denne dannede flammen føres ikke-brennbart finknust metallurgisk avfall eller mellomprodukter for å skape en god suspensjon, og at det for å vedlikeholde en glatt temperaturprofil i reaksjonsskaftet tilføres brensel og oksygen inn i skaftet gjennom brennere ordnet i skaftets vegger, at smeltingen finner sted under reduserende betingelser og at de verdifulle fordampede metallene i reaksjonsskaftet fjernes sammen med gassene gjennom opptaksskaftet, og at det dannede jerninnholdende slagget tømmes fra oppsamlingskaret.

Ofte skjer dekomponerings- og reduksjonsreaksjoner av et avfallspresipitat i flere trinn, som for eksmpel ved smelting av jarositt. Det største varmebehovet er forbundet med frigivelsen av krystallvann og ammonaikk, ved en temperatur på materialet fra 350 til 480° C så vel som dekomponeringen av sulfater ved temperaturer fra 650 til 770°C. Varmebehovet ved disse reaksjonene utgjør størstedelen av det totale varmebehov for smeltingen. For eksempel er i jarositt jern og svovel tilstede ved sine høyeste oksidasjonsgrader og brenn-selet brukt ved smeltingen må derfor bli brent på en reduserende måte (med en oksygenmengde som er lavere enn den støkiometriske mengde) for å redusere jernet til FeO og Fe304 og sulfatet til svoveldioksyd.

Fordampingen av metaller blir kontrollert ved justering av oksydasjonsgraden i smelteovnens atmosfære. Fordampingen av sink og bly krever også reduserende betingelser, som blir skapt ved bruk av reduserende forbrenning i brennerne. Graden av reduksjon blir enkelt justert ved endring av forholdet neilom brensel og oksygen.

En betingelse for verdifull metallstøvproduksjon ved behandling av avfallspresipitater er en minimal mengde mekanisk støv, fordi jernet som foreligger i mekanisk støv øker kostnadene ved videre behandling. Mekanisk støv betyr her støv som hverken er fordampet i forbrenningsrommet eller deretter kondensert.

På buen av reaksjonsskaftet på en f lash-smel teovn kan det enkelt plasseres flere brennere i den øvre del av reaksjonsskaftet, gjennom hvilke det blir tilført brensel og oksygen. Det brukte brenselet kan være et hvilket som helst passende brensel som naturgass, olje, kull eller koks, og gassen brukt i brennerne kan også være oksygenanriket luft istedenfor oksygen. Brenselet og oksygenet blir tent i toppen av reaksjonsskaftet og det fine porøse materialet blir til-ført flammen via en fordeler.

I tillegg til mekanisk avfall i form av presipitat eller støv, kan materialet også inneholde noe kiselfluss, som sand, noe som gir dannelse av et kiselholdig slagg. Den brukte fluss kan i tillegg til eller istedenfor sand, også være delvis eller helt alkalisk fluss som kalk. I dette tilfellet blir det dannede slagget enten olivinslagg eller kalsiumferritslagg. Kisel og olivinslagg er praktisk uoppløselig og kalsiumferritslagg er kun delvis oppløselig.

Lokaliseringen av brennerene, så vel som type (lengde av den dannede flamme) er valgt slik at det i flammen blir dannet en suspensjon av det ikke-brennbare materialet og forbrenningsgassene, hvis suspensjon er optimal i forhold til formen av reaksjonsskaftet, det vil si den ikke når veggene av reaksjonsskaftet og følgelig er ikke veggene utsatt for kraftig varmepåkjenning. På grunn av lokaliseringen og typen brennere har flammene således en impuls som effektivt distribuerer det tilførte ikke-brennbare materialet. Smeltingen av suspen-sjonen kan også bli forbedret med tilførsel av en mindre mengde av oksygen-brenselblandingen gjennom en liten brenner plassert inne i fordeleren.

For å jevne ut temperaturfordelingen og likeledes jevne ut påkjenningen på veggene i reaksjonsskaftet, er et annet sett brennere arrangert i skaftets vegger, hvis brennere ved-likeholder en tilstrekkelig temperatur lenger nede i skaftet. Dette så vel som den over beskrevne tilførselen av ikke-brennbart materiale inn i toppen av reaksjonsskaftet, direkte inn i forbrenningskammeret, gir en temperaturprofil som er bemerkelsesverdig glattere enn den som er beskrevet i den kjente teknikk. Det har også vist seg fordelaktig å bruke noe mer reduserende brenning i de nedre brennerne enn i brennerne plassert i smelteovnens lokk.

Ifølge foreliggende oppfinnelse, kan temperaturen i reaksjonsskaftet bli holdt jevnt ved 1300 til 1600°C, fortrinns-vis over ca 1400°C, ved hvilken temperatur det ikke-brennbare metallbærende materialet blir smeltet og de verdifulle metallene er fordampet. Når smelteovnbetingelsene blir sammenlignet med betingelsene som fremhersker i den over beskrevne prosess ifølge kjent teknikk, blir det fastholdt at fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen gir et klart lavere energiforbruk enn den nevnte fremgangsmåte, og at maksimum-temperaturen i smelteovnen i tillegg er 500° C lavere, no,e som igjen leder til mindre varmetap enn i fremgangsmåtene ifølge kjent teknikk.

Jernet i materialet blir omdannet til slagg og samlet i bunnen av bunnfellingstanken, hvorfra den blir tømt ut enten for videre behandling eller for granulering, avhengig av de kravene som er satt for slagget. En karakteristisk videre behandlingsmåte er avdamping (fuming). Ved hjelp av tilførsel av fluss, kan slaggets sammensetning bli justert på ønsket måte. En fordel ved bunnfellingstanken er at slagget får tid til å sette seg i smelteovnen før tapping og at det således er lettere å regulere slaggets sammensetning i den ønskede retningen, avhengig av den aktuelle videre bruk.

Gassene og støvet som er dannet i reaksjonsskaftet blir ført gjennom opptaksskaftet inn i en spillvarmekoker, hvor gassene hvis nødvendig blir etterbrent. I noen tilfeller kan gassene også bli brent i bunnfellingstanken. Deler av støvet i gassen blir separert i kokeren og resten blir fjernet med et elektrofilter. På grunn av sitt høye innhold av verdifulle metaller og lavt jerninnhold, passer dette støvet som føde i en vanlig produksjonsprosess for metall.

Oppfinnelsen skal beskrives med henvisning til følgende eksempler:

Eksempel 1

I en serie eksperimenter, ble jarositt smeltet i en testskala flash-smeltingsovn; hvor sammensetningen av jarositt i vekt-56 var: Fe 22,0 - 24,156

S04 34,5 - 46, 8%

Si02 4,7 - 6,6$

CaO 1,6 - 3,3$

Å1203 1,1 - 1 ,556

Zn 2,3 - 2,756

Pb 4,7-6,856

Energien for smeltingen ble tilført ved brenning av butan og oksygen. Det brukte flussmiddel var sand, noe som er fordelaktig for den videre bruk av slagget. Kiseloljeslagg er ekstremt dårlig oppløselige og ved sure betingelser klart mindre oppløselige enn oksydslagg. Som produkt fra smelt-ingene ble det oppnådd jernsilikatslagg hvis sink og blyinnhold kunne endres innen et stort område ved regulering av oksygentrykket i forbrenningsovnen. Det ble også oppnådd støv med høyt sink- og blyinnhold.

Gassfasen i forbrenningsovnen ble holdt reduserende ved brenning av butan med en mindre enn støkiometrisk mengde av oksygen, noe som er et krav for fordampingen av sink og bly. Forholdet COg/CO i forbrenningsgassene i reaksjonsskaftet varierte i området fra 2,7 til 70, riktignok hovedsakelig innen området 4,5 til 20. Ved utslippet fra forbrenningsovnen var CO2/CO forholdet 3,6 til 75, og vanligvis mellom 6 til 30. Gasstemperaturen i reaksjonsskaftet var 1400 til 1570°C, og den tilsvarende temperaturer i smeiten i bunnfellingstanken var 1360 til 1480"C.

I pilottestene var energibalansen i flash-smelteovnen som følger:

For anlegg i kommersiell størrelse vil den releative andel av varmetapet for det totale energibehovet naturligvis bli klart redusert, til omkring 10 til 15% av varmebalansen.

Produktanalysene varierte innen de følgende områder:

Slagg:

Fe 31,0 - 46,2%

Fe304 17,4 - 44,7% (ved hjelp av Satmagan metoden)

S <0,01- 0,16%

Si02 20,0 - 28,8%

CaO 2,9 - 5,4%

A1203 2,6 - 3,2%

Zn 1,0-2,5%

Pb 0,6-4,2%

Støv fra elektrofilter:

Fe 10,3 - 28,5%

S 3,4 - 12,9%

Si02 1,8 - 7,1%

CaO 1,0 - 2,8%

A1203 0,6 - 1,5%

Zn 3,9 - 13,2%

Pb 23,1 - 41,9%

Gjenvinningen av flyktige metaller i støvet var: Zn 54,2-77,9% og Pb 74,9 - 93,8%. Som nevnt over kan graden av fordampning bli justert ved hjelp av oksygentrykket i forbrenningsovnen, og gjenvinningen kan også avhenge av innholdet i det opprinnelige materialet.

Gjenvinningen av ikke-flyktige komponenter i slagget var: Fe 82,0 - 87,2%, Si02 92,6 - 94,4%, CaO 85,0 - 91,2% og Å1203 89,2 til 91,8%. Støvdannelsen av disse bestanddelene og deres derav følgende gjenvinning i slagget, er sterkt avhengig av finhetsgraden på materialet, og direkte sammenligninger mellom forskjellige tilførselsmaterialer kan derfor ikke bli gjort.

De ovenfor beskrevne smelte-eksperimentene ble utført i en pilot flash-smeltingsovn med en kapasitet på 650 til 1000 kg/t. Mengden av smeltet jarositt var ca 280 tonn. Det brukte flussmiddel var sand, tilsammen 20 tonn. Tilsetning av sinkkonsentrat til materialet ble også testet på en eks-perimentell porsjon på over 5 tonn. Ca 130 tonn slagg og 38 tonn støv ble produsert i disse forsøkene.

Som et resultat av disse eksperimentene ble det konkludert at bruken av energi var effektiv, fordi driften ble utført ved temperaturer lavere enn de som ellers nyttet innen kjent teknikk. Forholdet C02/C0 i forbrenningsgassene var høy og utnyttelsesgraden av forbrenningsvarmen var likeledes høy.

Eksempel 2

I en annen eksperimentserie ble jarositt og avfallskalk smeltet med sand i en modellskala f lash-smeltingsovn med en fødekapasitet på fra 60 til 100 kg/t for denne typen råmaterialer.

Analysen av materialene brukt i eksperimentene var i vekt-%:

Smeltingen ble utført ved hjelp av energi tilført fra butan-oksygenbrennere. Maksimal tilførselshastighet for råmaterialer i denne eksperimentserien var 65,5 kg/t og forbruket av butan i reaksjonsskaftet var 12,6 kg/t. Temperaturen i skaftet var 1330 til 1430"C.

Analysen av olivinslagget produsert i eksperimentene ga følgende resultat: Fe 33,9 - 42,5%

F<e>304 13,5 - 34,6%

S 0,02- 0,58%

Si02 19,1 - 24,8%

CaO 5,9 - 10,7%

A1203 2,6 - 3,9%

Zn 1,0 - 2,7%

Pb 0,24- 3,1%

Gjenvinningen av ikke-flyktige komponenter i slagget var 90,3 til 99,5%.

Analysen av det produserte støv ga følgende resultat:

Fe 8,4-18,0%

S 4,5 - 10,7%

Si02 1,9 - 4,3%

CaO 5,3 - 16,0%

A1203 0,6 - 1,4%

Zn 7,2 - 16,3%

Pb 14,3-35,0%

Gjenvinningene i støvet var avhengig av oksygentrykket: Zn 44 til 80% og Pb 63 til 93%.

Som man kan se fra analysene bekrefter disse resultatene resultatene fra pilotskala-eksperimentene.

Claims (12)

1. Fremgangsmåte for gjenvinning av de verdifulle metallinnholdene i ikke-brennbare metallurgiske avfallspresipitater, støv og mellomprodukter, så vel som gjennvinning av dårlig oppløselige slagg, karakterisert ved at det inn i den øvre del av reaksjonsskaftet i en flash-smelteovn tilføres forbrenningsgass og brensel gjennom brennere, radielt fra buen i forbrenningsovnen, og inn i denne dannede flammen føres ikke-brennbart finknust metallurgisk avfall eller mellomprodukter for å skape en god suspensjon, og at det for å vedlikeholde en glatt temperaturprofil i reaksjonsskaftet tilføres brensel og oksygen inn i skaftet gjennom brennere ordnet i skaftets vegger, at smeltingen finner sted under reduserende betingelser og at de verdifulle fordampede metallene i reaksjonsskaftet fjernes sammen med gassene gjennom opptaksskaftet, og at det dannede jerninnholdende slagget tømmes fra oppsamlingskaret.

2 . Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at temperaturen i reaksjonsskaftet holdes mellom 1300 og 1600'C.

3. Fremgangsmåte ifølge krav l, karakterisert ved at forbrenningsgassen som tilføres er oksygen eller oksygenanriket luft.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det metallurgiske avfallspresipitatet eller mellomproduktet som tilføres er avfallspresipitater eller mellomprodukter for hydrometallurgisk sink.

5 . Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 5, karakterisert ved at avfallspresipitatet som tilføres er j arositt.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 4, karakterisert ved at avfallspresipitatet som tilføres er hematitt.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 4, karakterisert ved at avfallspresipitatet som tilføres er goetitt.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 4, karakterisert ved at avfallspresipitatet som tilføres er et mellomprodukt fra nøytaliserende oppløsning.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at fluss føres inn i reaksjonsskaftet i flash-smeltingsovnen.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 9, karakterisert ved at kiselholdig materiale brukes som fluss.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 9, karakterisert ved at alkalisk materiale brukes som fluss.

12. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at både kisel-holdige og alkaliske materialer brukes som fluss.