TWI585210B - 還原熔融原料之方法及實行此方法之裝置 - Google Patents

Description

還原熔融原料之方法及實行此方法之裝置

本發明係關於一種還原熔融原料之方法，其中固體、熔融或氣體狀態之該原料被施加至一至少部分經感應加熱的塊狀焦炭床，且自該焦炭床排洩(drain)之熔體被收集而廢氣(exhaust fume)被排出。此外，本發明係關於一種實行此程序之裝置，其包含：一反應器，其用於接收一塊狀焦炭床；及一感應加熱，其包含用於感應加熱該焦炭床之至少一個感應線圈。

具體而言，待還原之熔融原料係：礦石(ore)；粉塵；熔渣(slag)；來自熱解、氣化與燃燒之殘餘物；熔體；漿料(slurry)；ESU(Elektro-Schlacken-Umschmelz(電渣重熔體))熔渣組分(例如，諸如CaO、CaF₂、Al₂O₃)及/或金屬氧化玻璃以及待除氣之礦物熔體。

具體而言，在本發明之脈絡中塊狀焦炭係碳載體，諸如焦炭(coke)、無煙煤(anthracite)及石墨 (graphite)。根據本發明，彼等碳載體係有利地與高度反應性碳載體(諸如瀝青煤(pit coal)、褐煤(lignite)或木炭(charcoal)、生質(biomass)、無負載(unloaded)或負載(loaded)活性碳)混合。

粉塵及熔渣(尤其係廢料熔渣、切碎機輕質部分(shredder light fraction)、複合材料(舉例而言，諸如經塗布鋁箔)、鋼渣以及來自非鐵金屬冶金及無機技術之熔渣)含有數種金屬氧化物，在鋼渣的例子中，熔渣中有顯著量的重金屬氧化物。

已有將液體熔體施加於適當還原金屬浴上的建議，尤其係以經溶解碳作為用以還原此類非所欲金屬氧化物之還原劑的鐵浴，該等非所欲金屬氧化物尤其係鉻、釩、鉬、鎢、鈷、錳、鉛、銅、及鋅之氧化物，其中經還原金屬轉化成金屬熔塊(regulus)或氣相。

然而，若欲有效率地實行此一程序，則大部分必須直接使用原始材料作為熔體，以便利用熔體熱能。

此外，在所有此類反應中熔渣及金屬浴經平衡，且歸因於平衡條件，重金屬決不會完全還原到使得熔渣中殘餘氧化物保持在低於分析偵測極限之位準。此尤其對鉻及釩氧化物成立，其等在還原熔渣中剩餘之量係至少超過1,000ppm。

由於金屬氧化物使玻璃展現各別顏色，玻璃(尤其玻璃熔渣)僅在極微量重金屬氧化物自此類玻璃熔渣定量地移除後，始可製造為一無色產品。

在此脈絡中，AT 502 577 B1已建議施加固體粒子(particle)及/或熔體於一至少部分經感應加熱的塊狀焦炭床或塊狀焦炭管柱上，並且收集排洩的經還原及/或經除氣之熔體。

與傳統金屬浴相比較，此一焦炭床具有一更高還原潛力，並且熔融程序及還原兩者均直接在焦炭床中及/或直接在焦炭件(coke piece)上執行。

各自頻率係約50至100kHz，其繼而導致由於集膚效應而使所施加之能量可能僅被施加在焦炭床之外邊緣上。為了加熱焦炭床(甚至在經填充之床的中間)而需要一高輸出，此係由於自感應加熱周邊區穿透焦炭朝向中間的熱傳導僅係非常有限的。

一項缺點係焦炭床中逐漸形成的氣體組分與熔融原料之非所欲副反應的發生。因此，該方法僅可以非常有限的方式使用於原料之再生，該原料尤其係受到重金屬、磷、鹼金屬(尤其係鋰)、戴奧辛、鹵素、有毒的有機化合物、荷爾蒙或藥物殘餘物污染的微粒。

因此，本發明目標為以避免上文描述之缺點的方式來改良前文提及之種類的方法及裝置，可很大程度地定量清除固體物質及熔體中非所欲物質，且尤其係以特別簡單且有效率方式排除一系列重金屬氧化物至低於偵測極限之位準。

根據一第一態樣，根據本發明之用於解決此任務的方法主要在於使用一焦炭床，該焦炭床內部受限於一管形元件，該管形元件被加熱，且反應氣體經由提供在該管形元件上之複數個排氣孔自該焦炭床被移除。

還原劑可連同該熔融原料一起被引入。較佳的還原劑係碳粉、天然氣、烴(hydrocarbon)、氫、一氧化碳及/或氨。較佳地，該還原劑被吹入或吸入至該焦炭床中。焦炭填料亦可用作為一額外還原劑。

較佳地，該等排氣孔穿過該管形元件之壁且終止於該管形元件之內側上。

由於該焦炭床內部受限於一管形可加熱元件，可選擇不僅自外側而亦自內側加熱該焦炭床。此導致一更平坦的溫度梯度，並且避免上文所列出關於集膚效應之輸入能量不足的缺點。

同時，該管形元件提供更迅速排出焦炭填料中所產生之反應氣體的機會。所有其他已知的豎爐(shaft furnace)觀念目前專供在逆流模式(counter current mode)或直流模式(direct current mode)中操作，其中熔體及氣體流動之引導係相對(oppositely)或平行。本發明首次提供在一豎爐設計內部垂直於熔體之流動方向的一氣體路徑。該管形元件為此目的而具有複數個排氣孔，其允許在反應氣體發生之區域中立即徑向排出該等反應氣體，因此避免與該熔融原料的非所欲反應。直接排出反應氣體具有實質上增加該焦炭床之反應容量的額外效應。同 時，該焦炭填料內的經還原氣體體積使得可顯著地最佳化熔體流動的通量率(throughput rate)。

此外，直接移除反應氣體允許化學平衡往所欲方向偏移，其在反應期間組分經受一相變的例子中尤其有利。

特別較佳地，該管形元件經調適成適應該焦炭床之幾何。較佳地，該管形元件具有一圓形或矩形剖面、或兩者之一組合。此外較佳地，該管形元件係導電、可透氣及/或具備鑽孔且耐高溫之物體。

該管形元件經感應加熱，以有利地使得可經由相同感應加熱進行該焦炭床及該管形元件之加熱。然而，關於該焦炭床及該管形元件對該感應加熱之感應場之多種耦合頻率，必須實施特殊措施。

因此，一項較佳進一步開發例規定，所提供用於感應加熱該焦炭床及該管形元件的該感應加熱係交替地或同時地以不同頻率之交流電操作。為了感應加熱該焦炭床，在此程序中需要較高頻率。為了感應加熱該管形元件，需要較低頻率。

觀察到該焦炭床對較低頻率透通(transparent)，而允許該管形元件以良好的有效性連結至感應場。此允許在該焦炭床中於高功率密度下達到1,900℃及以上之高溫。在較佳方式中，該管形元件由石墨組成，其中該石墨體於面對該焦炭床之側上可能具有不同於碳之塗層。表面可尤其被矽化，進而建立一耐磨耗的 SiC表面。

取決於用於感應加熱的交流電頻率之選擇，該焦炭填料中的各種顆粒(grain)大小份額被耦合。各顆粒大小具有其理想共振頻率，與較小焦炭件(coke piece)相比，較大焦炭件在較低頻率耦合。由於該焦炭床通常具有一顆粒大小分布(grain size distribution)，交流電頻率之選擇加熱該焦炭床之所欲部分(fraction)。改變交流電頻率允許以有利方式鎖定耦合不同部分，因此確保能量輸入橫越該焦炭床之整個徑向幅度。

在一同步操作模式中，較佳地係以一或數個較高頻率來調變低頻率交流電。在一交替操作模式中，較佳地係連續且交替地施加兩個或兩個以上不同的交流電頻率。

根據一較佳的進一步開發例，規定至少一第一頻率及一第二頻率之一交流電被使用。該第一頻率較佳地係2至10kHz。該第二頻率較佳地係50至200kHz，尤其係75至130kHz。

根據本發明之方法適合處理一系列困難原料，尤其適合用於困難微粒之再生，舉例而言，用於受到諸如Pb、Cd、Hg或Zn等重金屬污染者。

為了以本發明為基礎解決問題，根據前文所提及類型之裝置的進一步態樣之本發明主要包括：該反應器經設計以接收一含一環形剖面之焦炭床，該焦炭床內部受限於該反應器之一管形元件，其中該管形元件由適合用 於感應耦合至該感應線圈之感應場的材料(尤其係石墨)組成，且具有用以自該焦炭床移除反應氣體之複數個排氣孔。

由於該焦炭床及該管形元件在不同頻率之感應場耦合，所以一較佳的進一步開發例規定該感應加熱之電壓供應器包含具一控制單元之至少一頻率轉換器(frequency converter)或頻率產生器，其中該頻率轉換器經設計以交替地或同時地用不同頻率之交流電操作該感應加熱。

尤其較佳地，該控制單元可經設計以至少一第一及第二頻率之交流電操作該感應加熱。該第一頻率較佳地係2至10kHz；且該第二頻率較佳地係50至200kHz，尤其係75至130kHz。

另一較佳實施例規定，用以吹入反應性氣體之導管終止於焦炭床中。

為了確保自該焦炭床有效排放反應氣體，較佳地係規定該等排氣孔散布橫越該管形元件之壁，且終止於經配置或經提供在該管形元件之內側上的一排氣導管處。為了獲得橫越整個焦炭床的一致通風，較佳地係規定該等排氣孔之分布係橫越該管形元件沿圓周方向的配置。該等排氣孔係尤其均勻地。此外，該等排氣孔亦可沿軸向方向配置，即，沿該焦炭床之高度方向分布。該等排氣孔依彼此平行的複數個水平列配置係有利的。

尤其較佳的可係一選擇性敞開及閉合至少一 部分數目的排氣孔之裝置。此允許氣體通風以讓反應氣體根據各別需求於最佳的位置處經排放來被調整。

為了避免固體或液體組分自該焦炭床連同反應氣體一起透過該等排氣孔被排放，一較佳的進一步開發例規定該等排氣孔沿該排氣導管之方向以對角方式向上延行。

尤其較佳地係讓該等排氣孔具有含一第一流動剖面之一第一區域及具有一相鄰第二區域，該第二區域之流動剖面小於該第一區域之流動剖面。此配置實現在該等排氣孔之該第一區域中的反應氣體之層流(laminar flow)，且由於剖面縮減而在該第二區域中獲得紊流(turbulent flow)。該紊流有助於使可能被牽引至反應氣體中的經熔融粒子與該等排氣孔之壁接觸以及有助於該等經熔融粒子彼此接觸。在此情況中，被向上掃掠的粒子集結(agglomerate)且所得滴粒(drop)沿該等排氣孔之壁流回該反應器室及/或該焦炭床。

1‧‧‧感應線圈

2‧‧‧反應器壁

3‧‧‧排放反應氣體；氣體排放導管

4‧‧‧經填充之床；塊狀焦炭填料床；塊狀焦炭填料

5‧‧‧管形元件

6‧‧‧流出孔

7‧‧‧鑽孔

8‧‧‧管壁

9‧‧‧管之內側；管內部

10‧‧‧朝向外部部分的鑽孔部分；鑽孔之外部分；鑽孔之外 部部分

11‧‧‧鑽孔之內側；鑽孔之內部分；鑽孔之內部部分

下文以圖解中展示之例示性實施例進一步詳細解說本發明。圖解之圖1展示根據本發明之一反應器；圖2展示用以排出反應氣體之管形元件之一剖面的詳細視圖；且圖3展示用於將氣體吸入至管形元件中的鑽孔之可行例示性實施例。

圖1中根據本發明之反應器由經導引而繞著反應器壁2的一或數個感應線圈1組成。在此感應線圈1及反應器壁2較佳地具有一圓形且調和(harmonized)的剖面。此外，較佳地，可採用矩形、或圓形及矩形剖面之組合。一管形元件及一塊狀焦炭填料床4被設置在反應器壁2中，以排放反應氣體3。用以排放反應氣體之管形元件5之幾何係較佳地與該反應器之幾何協調。固體及/或熔融物質可被引入至經感應加熱的反應器中。接著，藉由朝向氣體排放導管3之出口的一壓力差之手段，所得反應氣體經由用以移除反應氣體之管形元件5而自塊狀焦炭填料4被排放。在最簡單的實施例中，可經由一流出孔6直接自反應器之內側及塊狀焦炭填料4移除剩餘熔融物質(例如，金屬熔體及/或熔渣)。

圖2係用以排放反應氣體之管形元件5之一可行的剖面。鑽孔7被設置在用以自塊狀焦炭填料4排放反應氣體的管形元件5之管壁8中。較佳地，鑽孔係以對角方式配置，以使鑽孔自用於排放反應氣體之管形元件5之外側至內側向上延行。此使自塊狀焦炭填料4之反應器體積進入管內部9的固體或熔融物質降至最低。用以排放反應氣體之管形元件5之另一實施例係一模組化設計。在此，由鑽孔7及管壁8之分段組成的任意數量的個別分段可經配置成在彼此上方，而形成用以排放反應氣體之管形元件5。用以排放反應氣體之管形元件5之額外實施例係 一模組化設計，其方式為將用以排放反應氣體之管形元件5的數個個別分段彼此平行地引入至塊狀焦炭填料4中。較佳地，各種用於排放反應氣體之管形元件5具有在塊狀焦炭填料4內的不同高度處的鑽孔7。此允許反應器被最佳化，以使得在塊狀焦炭填料4內不同點處之不同反應氣體可被分別排放。因此，可在塊狀焦炭填料4中界定不同反應區，且反應氣體可自該等不同反應區被個別地排放。舉例而言，多種反應區之界定可藉由設定多種溫度來發生，例如，藉由透過噴嘴自反應器壁2之外側鎖定目標地施加反應配對物(reaction partner)。另一實施例係引入一用以排放反應氣體之管形元件5，該管形元件由管之內側9上的數個分開體積組成。不同反應區之鑽孔允許經界定且個別的反應氣體之排放，且該排放係自塊狀焦炭填料4至該等管之內側9上的分開體積中。

圖3係鑽孔7之可行實施例的詳細視圖，該鑽孔係在用以排放反應氣體之管形元件5之管壁8上。較佳地，鑽孔7以對角方式配置，以使得鑽孔自用於排放反應氣體之管形元件5之外側至內側向上延行。此外，鑽孔7被劃分成不同幾何的2個分段。引導朝向外部部分的鑽孔部分10面對塊狀焦炭填料4。其與直接引導至管之內側9的鑽孔之內部部分11相比較具有一較大體積。由於鑽孔之外部部分10的較大體積，自塊狀焦炭填料4被向上吸入的反應氣體之速度減小，且可能仍然在氣流中的固體或熔融粒子可向下沉至鑽孔之外部分10之下側，且在 那裡流回至塊狀焦炭填料4中。由於與鑽孔之外部分10相比，鑽孔之內側11上之直徑減小，所以在鑽孔之內部分11有較高的氣體速度，且較佳地有一混合來自塊狀焦炭填料4的反應氣體之紊流。較佳地，尚未沈積在鑽孔之外部分10中的任何固體或熔融粒子在鑽孔之內部分11之紊流區中組合成較大粒子，接著該等較大粒子在鑽孔之內部分11之下部部分處被分開，且可自此處流回至塊狀焦炭填料4中。較佳地，鑽孔之外部分10可因此經設計成繞著用以排放反應氣體之管形元件5旋轉對稱，同時鑽孔之內部分11在所選擇位置處且依所選擇數量被引入至鑽孔之外部分10中。

1‧‧‧感應線圈

2‧‧‧反應器壁

3‧‧‧反應氣體之排放

4‧‧‧經填充之床

5‧‧‧用以排出反應氣體之管形元件

6‧‧‧流出孔

Claims (20)

1. 一種還原熔融原料之方法，其中以固體或熔融狀態將該原料施加至一至少部分經感應加熱的塊狀焦炭床上，且自該焦炭床排洩之經還原熔體被收集，而廢氣被排出；該方法之特徵在於一內部受限於一管形元件的焦炭床被使用，該管形元件被加熱，且自該焦炭床的反應氣體經由在該管形元件上所形成之複數個排氣孔被排放，其中該等排氣孔散布橫越該管形元件之壁且終止於經配置或經提供在該管形元件之內側上的一排氣導管中，該等排氣孔沿該排氣導管之方向以對角方式向上延行。
2. 如請求項1所述之方法，其中該管形元件之幾何形狀適用於該焦炭床之幾何形狀。
3. 如請求項1或2所述之方法，其中該管形元件具有一圓形或矩形剖面或兩者之一組合。
4. 如請求項1或2所述之方法，其中該管形元件係可透氣(gas-permeable)及/或具備鑽孔之一導電、耐高溫物體。
5. 如請求項1或2所述之方法，其中該管形元件被感應加熱。
6. 如請求項1或2所述之方法，其中用於感應加熱該焦炭床及該管形元件之該感應加熱係交替地或同時地以不同頻率之一交流電操作。
7. 如請求項6所述之方法，其中至少一第一頻率及一第二頻率之一交流電被使用。
8. 如請求項7所述之方法，其中該第一頻率係2至10kHz。
9. 如請求項7所述之方法，其中該第二頻率係50至200kHz。
10. 如請求項1或2所述之方法，其中還原劑連同該熔融原料一起被引入。
11. 如請求項10所述之方法，其中被引入之該等還原劑係碳粉(carbon dust)、天然氣、烴(hydrocarbon)、氫、一氧化碳及/或氨。
12. 如請求項10所述之方法，其中該還原劑被吹入或吸入至該焦炭床中。
13. 一種還原熔融原料、尤其係用以實行如請求項1至12中任一項所述之程序之裝置，其包含：一反應器，其用以接收一塊狀焦炭床；及一感應加熱，其包含用於感應加熱該焦炭床之至少一個感應線圈，該反應器具有用於固體及熔融的該原料之一饋料開口及用於經處理之熔體之一流出孔，該裝置之特徵在於該反應器經設計以接收一含一環形剖面之焦炭床，該焦炭床內部受限於一管形反應器元件，該管形元件由適合與該感應線圈之感應場感應耦合的一石墨材料所製成，且該管形元件具有用以自該焦炭床排放反應氣體之複數個排氣孔，其中該等排氣孔散布橫越該管形元件之壁且終止於經配置或經提供在該管形元件之內側上的一排氣導管中，該等排氣孔沿該排氣導管之方向以對角方式向上延行。
14. 如請求項13所述之裝置，其中該感應加熱之電壓供應器包含具一控制單元之至少一個變頻器(frequency inverter)或頻率產生器，該變頻器適合用於交替地或同時地用不同頻率之交流電操作該感應加熱。
15. 如請求項14所述之裝置，其中該控制單元經設計以用至少一第一及第二頻率之一交流電操作該感應加熱。
16. 如請求項15所述之裝置，其中該第一頻率係2至10kHz。
17. 如請求項15或16所述之裝置，其中該第二頻率係50至200kHz。
18. 如請求項13至16中任一項所述之裝置，其中該裝置包含用以吹入反應性氣體之線路，該線路終止於該焦炭床中。
19. 如請求項13所述之裝置，其中該等排氣孔橫越該管形元件沿圓周方向配置。
20. 如請求項18所述之裝置，其中該等排氣孔具有含一第一流動剖面之一第一區域及具有一相鄰第二區域，該第二區域與該第一區域相比具有一較小的流動剖面。