WO2008141347A1 - Verfahren zum aufarbeiten von metalloxidhältigen stäuben oder schlacken sowie vorrichtung zur durchführung dieses verfahrens - Google Patents

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Alfred Edlinger
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Patco Engineering Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for working up metalloxid conceptionigen organics, dusts, sludges or slags with a heated columnar coke bed, from which in the axial direction to the head end task gases are withdrawn and tapped at the foot melt, and an apparatus for performing this method.
  • WO 2006/079132 A1 has already proposed a method for reducing metal oxide-containing slags or glasses and / or degassing mineral melts and a corresponding device for carrying out this method, in which the molten slags were fed onto an inductively heated coke bed wherein the charge has been fed to a substantially closed shaft reactor and the coke bed has been inductively heated to temperatures which should ensure that a melt is formed until the tapping end or the melting temperature is maintained.
  • oxygen was supplied in different axial subregions of the shaft furnace and the shaft furnace was heated inductively in different subregions with different frequencies and different energy.
  • the redox potential of the bed or the column could be controlled in this known device by blowing gases, wherein the known device had axially consecutive sections, which were equipped with separate temperature measuring devices and / or measuring devices for the electrical power consumption to these To ensure a corresponding regulation of the temperature in the individual sections.
  • Essential for the known device was that the electrical energy was introduced directly into the coke bed, wherein the walls or the housing itself were formed of refractory material, which was not heated using the electrical energy and thus was formed insulating over that temperature range, which was to be expected in the area of the housing walls.
  • the housing itself was cooled as well as the induction body or induction coils, since the induction heat was ensured by the correspondingly conductive coke particles.
  • reaction gases in an axial region of the coke bed below a head-side induction body which is suitable for bringing the coke bed to the ignition temperature of the carbon to suck and the metal Regulus and the slag melt on lower end to stabs off the coke bed.
  • Such a gas guide has the advantage that the proportion of highly viscous hot gases can be substantially reduced and the gases still formed in the region of the tapping off their sensible heat in countercurrent to the sinking melt or the coke column can degrade.
  • the area below said induction body is thus characterized by a temperature which is lower than the temperature of the coke bed at the tapping end, but on the other hand, significantly higher than the gas temperature at the cold end of the task, so ensured by appropriate choice of the position of the suction actually at each point can be that contaminated with pollutants gases can be reliably sucked off, and condensation of the circuit-forming compounds in the coke bed can be avoided.
  • the temperature at which the reaction gas is withdrawn under the application of reduced pressure is above the condensation point of pollutants to be separated off, and in particular above 910 ° C.
  • a temperature above 910 ° C was chosen here with regard to zinc vapors whose condensation point is at 907 ° C below atmospheric pressure. If only Phosphorus vapor is present as a pollutant, the suction temperature can be selected correspondingly lower and above 290 0 C. The suction opening was placed under slight negative pressure, whereby in addition to zinc vapor and phosphorus vapor could be sucked.
  • the described extraction was such a pyrometallurgical refining in a shaft furnace problem-free, the gas vent should in principle be in the range above the condensation temperature of each relevant volatile pollutants.
  • the coke and gas preheating to this respective target temperature was carried out here in the direct current range, ie in the region in which the charge and the gases are passed in the same direction through the coke bed. Only the further smelting reduction then takes place in the countercurrent region, whereby this common gas vent for the two areas prevents the internal circulation.
  • the withdrawn reaction gas could preferably be supplied to a gas reformer in which, for example, the hot zinc vapor with the injected water in an endothermic reaction to zinc oxide and H 2 is reacted, whereby a correspondingly cleaned, cooled gas with high calorific value could be formed.
  • the different axial portions of the coke bed or the coke column could preferably be operated so that the head-side induction body was provided with a frequency of 20 - 120 kHz and a tapping adjacent induction body, which is operated at a frequency of 1 - 10 kHz.
  • the invention now aims to improve the preheating of coke in such a method and such a device and to make economically more favorable.
  • the invention aims to avoid the high frequencies required for the coupling to cold coke, since the required coupling frequency of the coke decreases with increasing coke temperature.
  • the invention aims, even in the abandonment of cold material, and in particular cold dusts and shredder-light fraction, to ensure the fastest possible and efficient implementation and further to provide the ability to gases formed in the process, and in particular their tactile Heat efficiency, use.
  • the method according to the invention is intended to enable the withdrawal of different valuable substances at different points in a cleaner form and at the same time to create the prerequisite for permitting a fractionated reduction of metals by appropriate adjustment of the process parameters.
  • the inventive method essentially consists in that the columnar coke bed is arranged in a first portion of its axial length as a coke ring around a central feed opening, that the coke ring is heated and that the task of solid dusts or the melt below the task level for coke is made into the coke ring in the hot coke bed.
  • the coke surrounding the central feed opening can be heated in a conventional manner and in particular carbothermally, so that it is possible to dispense with the use of poorly coupled and extremely high-frequency alternating current.
  • the procedure is such that the coking ring surrounding the feed opening is heated by hot combustion gases, hot blast and / or oxygen and, if necessary, additional fuel combusted in the coke ring.
  • the preheating can be carried out with top gases or combustion exhaust gases, provided that the desired high temperatures of about 1100 ° C to 1700 0 C can be achieved in this way.
  • fuel and in particular gaseous fuel or other hydrocarbons can be injected, which together with hot air or hot air and optionally with oxygen in this Preheating, ie the annular space surrounding the task opening concentric, can be burned to preheat the coke ring accordingly.
  • inductive preheating of the coke had the advantage that a correspondingly high reduction potential is also available in this area of the coke column.
  • the carbothermic preheating, and in particular the use of fuels in the preheating leads to a lower redox potential of this area. Since the charge but only after the preheating of the coke with the glowing coke comes into contact, which is ensured by the central task opening, the maximum redox potential is available at this point, whereby a particularly rapid implementation is guaranteed.
  • the method is advantageously carried out such that the ring shaft containing the coke ring is pressure-tightly sealed at its head end.
  • the feed opening for the metal-oxide-containing dusts or melts generally requires no pressure-resistant closure.
  • the pressure-resistant closure for the coke charging can be designed in a simple manner as a lock and, for example, as a rotary valve or bell lock.
  • the batch is advantageously fed via the central feed opening in the region of a coking temperature of more than 600 ° C., in particular over 1000 ° C., with advantageously hot blast and / or oxygen being injected into the coke bed in at least one plane, which is the lower edge of the coke ring is equal to or below this lower edge.
  • the dusts which can be used in the process according to the invention essentially comprise Fe 2 O 3 , CaO, SiO 2 , MgO, Na 2 O, K 2 O, Cr 2 O 3 , Mn 2 O 3 , Mo x O y , NiO , ZnO, NaCl, NaF, P 2 O 5 , ZnCl 2 , ZnF 2 , PbF 2 , PbCl 2 , C, C x H y , Cu 2 O, V 2 O or WO 3 .
  • the volatile components such as zinc, phosphorus and alkali halides and lead halides are subtracted primarily, the alkali halides and lead halides having the comparatively highest evaporation temperatures.
  • C x H y can usually be converted to H 2 and C at temperatures above 600 ° C., with the carbon in the sequence being available as a reduction carbon in the coke column. Oxide fractions are slagged and then reduced. Alkalis are reacted in the presence of acidic additives to sodium or potassium silicate and SiO 2 is not reduced, as a rule, provided that the reduction line is not selected to be relatively long.
  • the reduction potential of the coke column can be adjusted accordingly by blowing in possibly hot gases, wherein a correspondingly lower reduction potential can be achieved by blowing in oxygen.
  • the procedure is such that the educt dust or the charge is calcined prior to discharge into the annular shaft coke oven with acidic additives under oxidizing conditions, in particular at temperatures between 1100.degree. C. and 1300.degree. a substantial removal of halogens, lead and alkalis is achieved.
  • the device according to the invention for carrying out this process with a reactor having a heatable coke column, a head end for the charge and a head end for coke and at least one closable tap for metal and / or slag melt is essentially characterized in that at the top End is formed a central feed space for the batch, which is surrounded by an annulus for receiving coke, that are connected to the coke annulus nozzles for hot blast, oxygen and / or hot combustion exhaust gases and possibly fuels that the coke annulus has at its head-side cold end a pressure-tight lock and that are connected to the reactor at or below the lower edge of the coke annulus suction lines for reaction gases.
  • Essential for a safe preheating of the deposited coke is the formation of an annular space, which in a particularly simple manner by a tubular insert which surrounds the feed opening, can be achieved can.
  • the jacket is multi-walled and at least may be partially filled with educt dust and additives, which can be discharged in the sequence also on the glowing coal bed. The filling with educt dust and additives leads to the preheating of this portion, which then ensures a high temperature resistance of the hollow shaft at the same time.
  • the lock for the task of coke in the Koksringraum may preferably be designed as DoppelglockenverSchluss, whereby even with a closed lock the extraction of cooled combustion gases or combustion exhaust gases such as CO 2 at temperatures of about 200 - 400 ° C in the field succeeds.
  • the training is advantageously made so that suction lines in areas of Reactor are connected under a negative pressure, which results in a gas flow from the top and bottom of the suction line.
  • FIG. 2 shows a modified embodiment in which an inductive heating is provided following a carbothermic preheating of the coke ring
  • FIG. 3 corresponding to the cascade-like arrangement of devices Fig.l to achieve high-purity molten metal by fractional reduction.
  • Fig.l 1 denotes a reactor in which a coke column 2 is arranged.
  • the coke is fed via a lock 3 into a central space 4 surrounding the annulus 5, wherein the lock 3 is formed as DoppelglockenverSchluss whose upper part in the direction of the double arrow 6 in the height direction is slidable to open the lock or close.
  • the central task space 4 the task of the batch takes place in the direction of arrow 7, said charge impinges at a point on the lower edge of the annular space 5 on the coke column, on which the coke is already heated to correspondingly high temperatures.
  • a ring pipe 8 For heating the coke column in the annular space 5 a ring pipe 8 is provided, from which 9 hot air or hot air, oxygen, combustion gases or fuels can be supplied via nozzles, which ensure the heating to temperatures up to about 1100 ° C inside the Koksringraums 5. The formed combustion gases or fuel gases are sucked through the suction nozzle 10.
  • the reactor is formed in the axial direction several times stepwise increasing, each with a gradual
  • Magnification annular spaces 11 and 12 are formed, from which via suction or suction 13 or 14 gases can be deducted.
  • Via the piping system 15 further hot blast can be injected via nozzles 16 at the bottom of the reactor, so that there is a corresponding flow in the interior, which in the first part to the annular chambers 11 and possibly to the annular chambers 12 in countercurrent to the falling slag melt or Metal melt is performed, and only in the upper region in direct current to the supplied via the piping system 8 gases.
  • the embodiment according to FIG. 2 differs from the embodiment according to FIG. 1 essentially in that, following the first annular region in which the coking ring is preheated, inductive heating of the already hot coke takes place in order to maintain the desired high temperatures ,
  • a corresponding sleeve or an induction body for the introduction of electrical energy are provided in a first portion 18, wherein in the partial region 18 is coupled at a higher frequency than in the subsequent, the tapping 17 adjacent portion 19.
  • a corresponding Annealed ring 11 via a port 13 gas which in the case of training according to Figure 2 here zinc fumes or zinc chlorides can be deducted together with tin chlorides.
  • Pure oxygen can be injected via the gas supply 9 in order to ensure the desired heating and preheating.
  • a corresponding preheating succeeds but at a correspondingly high frequency by heating the windings in the sub-area 18, in which case a correspondingly lower preheating would be sufficient if nachverbrannt subsequently with oxygen becomes.
  • the preheating takes place naturally in countercurrent, whereas the volatilization of zinc vapors, zinc chloride or the removal of carbon monoxide takes place in DC areas, which in turn followed by a fumigant fused reduction area, which in the case of training according to Figure 2 of the coil in Part area 19 is enclosed.
  • a plurality of reactors according to FIG. 1 are arranged in cascading one behind the other, wherein the reference numerals of FIG. 1 have been retained.
  • copper can now be removed from the metal at a correspondingly selected temperature and appropriately selected gas supply for adjusting the reduction potential via the pipeline system 15, wherein the molten slag can be fed directly via the line 20 to the subsequent reactor Ib.
  • the setting, and in particular the adjustment of the redox potential are made so that no complete reduction takes place, so that, for example, a nickel bath can be withdrawn and the remaining slag can in turn be fed via a line 20 to the third reactor Ic.
  • iron melt can now be withdrawn here, for example, so that fractional reduction of liquid metals is possible by the cascading arrangement of a plurality of such reactors.

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Abstract

Zum Aufarbeiten von metalloxidhältigen Stäuben oder Schlacken mit einem beheizten säulenförmigen Koksbett, aus welchem Reaktionsgase abgezogen und am Fuß Schmelze abgestochen werden, wird das säulenförmige Koksbett in einem ersten Teilbereich seiner axialen Länge als beheizter Koksring um eine zentrale Aufgabeöffnung angeordnet. Die Aufgabe der festen Stäube oder der Schmelze wird unterhalb der Aufgabeebene für Koks in den Koksring in das heiße Koksbett vorgenommen. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass am kopfseitigen Ende ein zentraler Aufgaberaum (4) für die Charge ausgebildet ist, der von einem Ringraum (5) für die Aufnahme von Koks umgeben ist, dass an den Koks-Ringraum (5) Düsen (9) für Heißwind, Sauerstoff und/oder heiße Verbrennungsabgase sowie ggf. Brennstoffe angeschlossen sind, dass der Koks-Ringraum (5) an seinem kopfseitigen kalten Ende eine druckfeste Schleuse (3) aufweist und dass an den Reaktor (1) an oder unterhalb der ünterkante des Koks-Ringraums (5) Absaugleitungen (13,14) für Reaktionsgase angeschlossen sind.

Description

Verfahren zum Aufarbeiten von metalloxidhältigen Stäuben oder Schlacken sowie Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufarbeiten von metalloxidhältigen Organika, Stäuben, Schlämmen oder Schlacken mit einem beheizten säulenförmigen Koksbett, aus welchem in axialer Richtung nach dem kopfseitigen Aufgabeende Reaktionsgase abgezogen und am Fuß Schmelze abgestochen werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
In der WO 2006/079132 Al wurde bereits ein Verfahren zum Reduzieren von metalloxidhältigen Schlacken bzw. Gläsern und/oder Entgasen von mineralischen Schmelzen sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens vor- geschlagen, bei welcher die schmelzflüssigen Schlacken auf ein induktiv beheiztes Koksbett aufgegeben wurden, wobei die Charge einem im Wesentlichen abgeschlossenen Schachtreaktor zugeführt wurde und das Koksbett induktiv auf Temperaturen aufgeheizt wurde, welche sicherstellen sollten, dass sich bis zum Abstichende eine Schmelze ausbildet oder die Schmelztemperatur aufrecht erhalten wird. Bei dieser bekannten Vorrichtung wurde in unterschiedlichen axialen Teilbereichen des Schachtofens Sauerstoff zugeführt und der Schachtofen in verschiedenen Teilbereichen mit verschiedenen Frequenzen und verschiedener Energie induktiv beheizt. Das Redoxpotential des Bettes bzw. der Säule konnte bei dieser bekannten Einrichtung durch Einblasen von Gasen geregelt werden, wobei die bekannte Vorrichtung axial aufeinander folgende Abschnitte aufwies, welche mit gesonderten Temperaturmesseinrichtungen und/oder Messein- richtungen für die elektrische Leistungsaufnahme ausgestattet waren, um auf diese Weise eine entsprechende Regelung der Temperatur in den einzelnen Abschnitten zu gewährleisten. Wesentlich für die bekannte Vorrichtung war, dass die elektrische Energie unmittelbar in das Koksbett eingebracht wurde, wobei die Wände bzw. das Gehäuse selbst aus Feuerfestmaterial ausgebildet waren, welches unter Anwendung der elektrischen Energie nicht aufgeheizt wurde und somit isolierend über denjenigen Temperaturbereich ausgebildet war, welcher im Bereich der Ge- häusewände zu erwarten war. Das Gehäuse selbst war ebenso wie die Induktionskörper bzw. Induktionsspulen gekühlt ausgebildet, da ja die Induktionswärme durch die entsprechend leitfähigen Kokspartikel sichergestellt wurde.
Aus der älteren österreichischen Anmeldung GM 35/2007 ist ein Verfahren bzw. eine Einrichtung der beschriebenen Art zu entnehmen, bei welcher beliebige Einsatzmaterialien wie verzinkter Schrott, mit Organika belasteter Walzwerkzunder, zinkhaltige Stäube, Klärschlammverbrennungsasche, welche P2O5, Fe2O3, CaO, Al2O3, ZnO etc. enthalten können, und Elektroschrott in einfacher Weise aufgearbeitet werden können und Schadstoffe ohne Ausbildung von internen Kreisläufen nahezu quantitativ abgezogen werden können. Weiters sollte das Verfahren so durchgeführt werden, dass auf die geschlossene Ausbildung eines Kupolofens verzichtet werden kann und ein einfacher Schacht mit offenem kalten Aufgabeende zum Einsatz gelangen kann, ohne dass an dieser Stelle der Austritt von Schadstoffen befürchtet werden muss. Durch die bekannte Verwendung von isolierenden Werkstoffen für die Feuerfestauskleidung bzw. den Mantel des Schachts sollte wiederum sichergestellt werden, dass die elektrische Energie lediglich im Bereich des Koksbetts zur Wirkung gelangt.
In diesem Zusammenhang wurde ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren vorgeschlagen, dass Reaktionsgase in einem axialen Bereich des Koksbettes unterhalb eines kopfseitigen Induktionskörpers, welcher dazu geeignet ist, das Koksbett auf die Zündtemperatur des Kohlenstoffs zu bringen, abzusaugen und den Metall-Regulus sowie die Schlackenschmelze am unteren Ende des Koksbettes abzustechen. Dadurch, dass das Reaktionsgas in einem axialen Bereich des Koksbetts zwischen zwei Induktionskörpern abgesaugt wurde und der Metall-Regulus und die Schlackenschmelze am unteren Ende des Koksbetts abgestochen wurden, wurde im Inneren der Kokssäule eine Gasführung erzielt, bei welcher ausgehend vom kalten Aufgabeende Reaktionsgase zu der Absaugöffnung angesaugt werden und somit in einem ersten axialen Teilbereich im Gleichstrom mit der Charge geführt werden, wohingegen eine weitere Teilmenge der Reaktionsgase vom heißen Abstichende her gleichfalls zur Absaugöffnung hin gesaugt wird, sodass in diesem zweiten axialen Teilbereich des Koksbetts bzw. der Kokssäule die Gase im Gegenstrom zur Schmelze geführt werden. Eine derartige Gasführung hat den Vorteil, dass der Anteil hochviskoser heißer Gase wesentlich verringert werden kann und die im Bereich des Abstichendes noch gebildeten Gase ihre fühlbare Wärme im Gegenstrom zur absinkenden Schmelze bzw. der Kokssäule abbauen können. Der Bereich unterhalb des genannten Induktionskörpers zeichnet sich somit durch eine Temperatur aus, die geringer ist als die Temperatur des Koksbetts am Abstichende, aber andererseits deutlich höher ist als die Gastemperatur am kalten Aufgabeende, sodass durch geeignete Wahl der Position der Absaugöffnung tatsächlich in jedem Punkt sichergestellt werden kann, dass mit Schadstoffen belastete Gase zuverlässig abgesaugt werden können, und eine Kondensation der kreislaufbildenden Verbindungen im Koksbett vermieden werden kann.
Weiters wurde vorgeschlagen, das Verfahren so durchzuführen, dass die Temperatur, bei der das Reaktionsgas unter Anwendung von Unterdruck abgezogen wird, oberhalb des Kondensationspunktes von abzutrennenden Schadstoffen und insbesondere oberhalb von 910° C liegt. Eine Temperatur oberhalb von 910° C wurde hierbei in Hinblick auf Zinkdämpfe gewählt, deren Kondensationspunkt bei 907° C unter Atmosphärendruck liegt. Wenn lediglich Phosphordampf als Schadstoff vorliegt, kann die Absaug- temperatur entsprechend niedriger und über 2900C gewählt werden. Die Absaugöffnung wurde hierbei unter leichten Unterdruck gesetzt, wobei neben Zinkdampf auch Phosphordampf abgesaugt werden konnte. Durch entsprechende Einstellung der Temperatur, bei welcher die Absaugung erfolgt, ließ sich eine Reihe von Schadstoffen selektiv absaugen, wodurch die Anzahl der möglichen Chargen wesentlich erhöht wurde, da es nunmehr möglich wurde, auch Problemstoffe, welche Zink, Kohlenstoff, Kohlenwasserstoffe, Alkalien, Halogene, Blei, Cadmium, Quecksilber, Phosphor oder organische Pyrolyseprodukte enthalten, entsprechend aufzuarbeiten. Insbesondere feste Abfallstoffe weisen bei thermischer Vorbehandlung zumeist einen hohen Anteil flüchtiger Substanzen auf, wobei neben den genannten Metalldämpfen vor allen Dingen Zink- und Cadmiumkondensation, Alkalihalogene sowie Teerkondensation in Schachtöfen als problematisch einzustufen sind und zu unerwünschten Kreisläufen führen. Durch die beschriebene Absaugung wurde eine derartige pyrometallurgische Raffination in einem Schachtofen problemlos möglich, wobei der Gasabzug prinzipiell im Bereich oberhalb der Kondensationstemperatur der jeweils relevanten flüchtigen Schadstoffe liegen sollte. Die Koks- und Gasvorwärmung auf diese jeweilige Zieltemperatur erfolgte hierbei im Gleichstrombereich, d.h. in demjenigen Bereich, in welchem die Charge und die Gase gleichsinnig durch das Koksbett geleitet werden. Erst die weitere Schmelzreduktion erfolgt anschließend im Gegenstrombereich, wobei dieser für die beiden Bereiche gemeinsame Gasabzug die interne Kreislaufbildung verhindert.
Das abgezogene Reaktionsgas konnte bevorzugt einem Gasreformer zugeführt werden, in welchem beispielsweise der heiße Zinkdampf mit dem eingespritzten Wasser in endothermer Reaktion zu Zinkoxid und H2 umgesetzt wird, wodurch ein entsprechend gereinigtes, abgekühltes Gas mit hohem Heizwert gebildet werden konnte. Die unterschiedlichen axialen Teilbereiche des Koksbetts bzw. der Kokssäule konnten bevorzugt so betrieben werden, dass der kopfseitige Induktionskörper mit einer Frequenz von 20 — 120 kHz und ein dem Abstichende benachbarter Induktionskörper vorgesehen war, welcher mit einer Frequenz von 1 — 10 kHz betrieben wird. Auf diese Weise wurde dem Umstand Rechnung getragen, dass im Gleichstrombereich, in welchem eine Reduktion noch nicht in hohem Ausmaß erfolgt, die Ankopplung an oxidische Bestandteile höhere Frequenzen erfordert als die Ankopplung im Reduktionsbereich, in welchem bereits hohe Mengen an metallischen Schmelzen und Koks höherer Temperatur vorliegen, welche bei niedrigeren Frequenzen ankoppeln. Durch diese Maßnahme kann der Energieverbrauch an die jeweils tatsächlichen Bedürfnisse angepasst werden.
Die Erfindung zielt nun darauf ab, die Vorwärmung von Koks in einem derartigen Verfahren bzw. einer derartigen Vorrichtung zu verbessern und wirtschaftlich günstiger zu gestalten. Insbesondere zielt die Erfindung darauf ab, die für die Ankopplung an kalten Koks erforderlichen hohen Frequenzen zu vermeiden, da die benötigte Ankoppelungsfrequenz des Kokses mit steigender Kokstemperatur sinkt. Schließlich zielt die Erfindung darauf ab, auch bei der Aufgabe von Kaltgut, und insbesondere kalten Stäuben sowie von Shredder-Leicht-Fraktion, eine möglichst rasche und effiziente Umsetzung zu gewährleisten und weiters die Möglichkeit zu schaffen, im Verfahren gebildete Gase, und insbesondere deren fühlbare Wärmeeffizienz, zu nutzen. Schließlich soll durch die erfindungsgemäße Verfahrensführung der Abzug von unterschiedlichen Wertstoffen an verschiedenen Stel- len in reinerer Form ermöglicht werden und gleichzeitig die Voraussetzung geschaffen werden, durch entsprechende Einstellung der Verfahrensparameter ein fraktioniertes Reduzieren von Metallen zu ermöglichen. Zur Lösung dieser Aufgabe besteht das erfindungsgemäße Verfahren im Wesentlichen darin, dass das säulenförmige Koksbett in einem ersten Teilbereich seiner axialen Länge als Koksring um eine zentrale Aufgabeöffnung angeordnet wird, dass der Koksring beheizt wird und dass die Aufgabe der festen Stäube oder der Schmelze unterhalb der Aufgabeebene für Koks in den Koksring in das heiße Koksbett vorgenommen wird. Dadurch, dass ein Koksring geschaffen wird, in welchem eine zentrale Aufgabeöffnung angeordnet ist, gelingt es, die zentrale Aufgabeöffnung ringförmig mit Koks zu umgeben, welcher einer karbothermischen Vorwärmung unterzogen werden kann. Die Vorwärmung in diesem Teilbereich der axialen Länge führt nun dazu, dass unmittelbar glühender Koks am Grund der zentralen Aufgabeöffnung und damit an der Stelle zur Verfügung steht, an welcher Eduktstaub bzw. die ggf. auch schmelzflüssig vorliegende Charge aufgebracht wird. An dieser Stelle liegt somit bereits Koks mit entsprechend hoher Temperatur und glühend vor, sodass eine rasche Umsetzung erzielt wird und in der Folge die Gasführung in der Kokssäule entsprechend optimiert werden kann. Der die zentrale Aufgabeöffnung umgebende Koks kann in konventioneller Weise und insbesondere karbothermisch beheizt werden, sodass auf die Verwendung von schlecht ankoppelnden und extrem hochfrequenten Wechselstrom verzichtet werden kann. Mit Vorteil wird hierbei so vorgegangen, dass der die Aufgabeöffnung umgebende Koksring durch heiße Verbrennungsabgase, Heißwind und/oder Sauerstoff sowie erforderlichenfalls zusätzlichen, im Koksring verbrannten Brennstoff beheizt wird. Prinzipiell kann die Vorwärmung mit Gichtgasen oder Verbrennungsabgasen erfolgen, sofern auf diese Weise die gewünschten hohen Temperaturen von etwa 1100° C bis 17000C erzielbar sind. Zusätzlich kann naturgemäß auch Brennstoff, und insbesondere gasförmiger Brennstoff oder andere Kohlenwasserstoffe eingedüst werden, welche gemeinsam mit Heißluft oder Heißwind und ggf. mit Sauerstoff in diesem Vorwärmebereich, d.h. dem die Aufgabeöffnung konzentrisch umgebenden Ringraum, verbrannt werden können, um den Koksring entsprechend vorzuheizen. Eine induktive Vorheizung des Kokses hatte zwar den Vorteil, dass auch in diesem Bereich der Kokssäule ein entsprechend hohes Reduktionspotential zur Verfügung steht. Die karbothermische Vorwärmung, und insbesondere der Einsatz von Brennstoffen im Bereich der Vorwärmung, führt zu einem geringeren Redoxpotential dieses Bereichs. Da die Charge aber erst nach der Vorwärmung des Kokses mit dem glühenden Koks in Kontakt tritt, was durch die zentrale Aufgabeöffnung sichergestellt wird, steht an dieser Stelle das maximale Redoxpotential zur Verfügung, wodurch eine besonders rasche Umsetzung gewährleistet ist.
Um die jeweils erforderliche kontinuierliche bzw. diskontinuierliche Aufgabe von Koks zu ermöglichen, wird das Verfahren vorteilhaft so durchgeführt, dass der den Koksring enthaltende Ringschacht an seinem kopfseitigen Aufgabeende druckfest verschlossen wird. Die Aufgabeöffnung für die metalloxid- hältigen Stäube oder Schmelzen bedarf in der Regel keines druckfesten Verschlusses. In unmittelbarer Nähe des kopfseitigen Aufgabeendes mit dem druckfesten Verschluss für den Ringschacht erfolgt auch der Abzug der Verbrennungsabgase bzw. Verbrennungsgase, die zur Aufwärmung des Kokses eingesetzt oder gebildet wurden. Der druckfeste Verschluss für die Koks- chargierung kann in einfacher Weise als Schleuse und beispielsweise als Zellradschleuse oder Glockenschleuse ausgebildet sein.
Prinzipiell kann es im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft sein, die Schmelze, und insbesondere die zunächst gebildete Schlackenschmelze, welche in der Folge durch Koks reduziert wird, dünnflüssiger zu machen. Zu diesem Zweck kann, wie es einer bevorzugten Durchführungsweise des erfindungs- gemäßen Verfahrens entspricht, so vorgegangen werden, dass mit der Charge und/oder in den Koksring saure Additive chargiert werden.
Prinzipiell wird mit Vorteil die Charge über die zentrale Aufgabeöffnung im Bereich einer Kokstemperatur von über 600° C, insbesondere über 1000° C aufgegeben, wobei mit Vorteil Heißwind und/oder Sauerstoff in wenigstens einer Ebene in das Koksbett eingeblasen wird, welche der Unterkante des Koksrings entspricht oder unterhalb dieser Unterkante liegt.
Die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens einsetzbaren Stäube enthalten in aller Regel im Wesentlichen Fe2O3, CaO, SiO2, MgO, Na2O, K2O, Cr2O3, Mn2O3, Mox0y, NiO, ZnO, NaCl, NaF, P2O5, ZnCl2, ZnF2, PbF2, PbCl2, C, CxHy, Cu2O, V2O oder WO3. Im Gasabzug nahe der Aufgabe der Charge, d.h. bei Temperaturen von ungefähr 1100° C, werden in erster Linie die leicht flüchtigen Komponenten wie Zink, Phosphor sowie Alkalihalogenide und Bleihalogenide abgezogen, wobei die Alkalihalogenide und Bleihalogenide die vergleichsweise höchsten Verdampfungs- temperaturen aufweisen. Ebenso kann CxHy bei Temperaturen von über 600° C in aller Regel zu H2 und C umgewandelt werden, wobei der Kohlenstoff in der Folge als Reduktionskohlenstoff in der Kokssäule zur Verfügung steht. Oxidische Anteile verschlacken und werden anschließend reduziert. Alkalien werden in Anwesenheit von sauren Additiven zu Natrium oder Kaliumsilikat umgesetzt und SiO2 in der Regel nicht reduziert, sofern die Reduktionsstrecke nicht relativ lang gewählt wird.
Das Reduktionspotential der Kokssäule kann durch Einblasen von ggf. heißen Gasen entsprechend eingestellt werden, wobei ein entsprechend geringeres Reduktionspotential durch Einblasen von Sauerstoff erzielt werden kann.
Erfindungsgemäß ist es nun mit Rücksicht auf die umfangreichen Einstellmöglichkeiten besonders vorteilhaft, das Verfahren so durchzuführen, dass es kaskadierend in mehreren aufeinander folgenden Verfahrensstufen in voneinander getrennten säulenför- migen Koksbetten mit jeweils ansteigendem Reduktionspotential zur fraktionierten Gewinnung von Metallschmelzen durchgeführt wird. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, in einer ersten Verfahrensstufe eine Kupferschmelze zu erzielen und die verbleibende Schlacke in einer zweiten Verfahrensstufe bis zur Erzielung eines Nickelbades zu reduzieren, worauf schließlich die wiederum verbleibende Schlacke in einer dritten, entsprechend stärker reduzierend eingestellten Verfahrensstufe bis zur Reduktion eines metallischen Eisenbads fortgesetzt werden kann. Letztlich kann SiO2 zu Si reduziert werden.
Wenn, wie es einer bevorzugten Durchführung des Verfahrens entspricht, so vorgegangen wird, dass der Eduktstaub bzw. die Charge vor der Aufgabe in den Ringschacht-Koksofen mit sauren Additiven unter oxidierenden Bedingungen insbesondere bei Temperaturen zwischen 1100° C und 1300° C kalziniert werden, wird eine weitestgehende Entfernung von Halogenen, Blei und Alkalien erzielt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit einem Reaktor mit einer beheizbaren Kokssäule, einem kopfseitigen Aufgabeende für die Charge und einem kopfseitigen Aufgabeende für Koks sowie wenigstens einer verschließbaren Abstichöffnung für Metall- und/oder Schlacken- schmelze ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass am kopfseitigen Ende ein zentraler Aufgaberaum für die Charge ausgebildet ist, der von einem Ringraum für die Aufnahme von Koks umgeben ist, dass an den Koks-Ringraum Düsen für Heißwind, Sauerstoff und/oder heiße Verbrennungsabgase sowie ggf. Brennstoffe angeschlossen sind, dass der Koks-Ringraum an seinem kopfseitigen kalten Ende eine druckfeste Schleuse aufweist und dass an den Reaktor an oder unterhalb der Unterkante des Koks-Ringraums Absaugleitungen für Reaktionsgase angeschlossen sind. Wesentlich für eine sichere Vorwärmung des aufzugebenden Kokses ist die Ausbildung eines Ringraums, welcher in besonders einfacher Weise durch einen rohrförmigen Einsatz, welcher die Aufgabeöffnung umgibt, erzielt werden kann. Im ersten Teilbereich der axialen Länge des Reaktors liegt somit eine mehrwandige Struktur vor, wobei der außenliegende Ringraum entsprechend mit Koks beschickt wird und druckfest abschließbar sein soll, und der innenliegende Aufgaberaum selbst wiederum von einem Hohlschacht gebildet werden kann, dessen Mantel mehrwandig ausgebildet ist und mindestens teilweise mit Eduktstaub und Additiven gefüllt sein kann, welche in der Folge gleichfalls auf das glühende Kohlebett ausgetragen werden können. Die Füllung mit Eduktstaub und Additiven führt zur Vorwärmung dieses Anteils, der dann gleichzeitig eine hohe Temperaturbeständigkeit des Hohlschachts gewährleistet .
Für die fraktionierte Absaugung verschiedener Verbindungen, welche ohne Abzug unerwünschte Kreisläufe ausbilden würden, ist es möglich, in einer ersten Ebene Kohlenmonoxid abzuziehen und in einer darunter liegenden Ebene mit entsprechend höherer Temperatur Zinkoxid gemeinsam mit Kohlenmonoxid auszutragen. Die jeweiligen Gasabsaugleitungen sind hierbei bevorzugt an Ringräume angeschlossen, welche durch stufenweises Vergrößern der lichten Weite des Reaktors ausgebildet sind, wobei an den Reaktor in Höhenrichtung aufeinanderfolgend eine Mehrzahl derartiger Gaszuführungungs- und/oder Gassaugleitungen angeschlossen sein kann.
Die Schleuse für die Aufgabe von Koks in den Koksringraum kann bevorzugt als DoppelglockenverSchluss ausgebildet sein, wodurch auch bei geschlossener Schleuse die Absaugung von abgekühlten Verbrennungsgasen oder Verbrennungsabgasen wie CO2 bei Temperaturen von etwa 200 — 400° C im Bereich der Aufgabe gelingt. Wie bereits erwähnt, ist es besonders vorteilhaft, eine Reihe von Reaktoren kaskadierend hintereinander anzuordnen, um bei Einstellung des entsprechenden Reduktionspotentials unterschiedliche Metallschmelzen in aufeinander- folgenden Reaktoren auszubilden. Um sicherzustellen, dass unerwünschte Kreisläufe verhindert werden, ist die Ausbildung mit Vorteil so getroffen, dass Absaugleitungen in Bereichen des Reaktors unter einem Unterdruck angeschlossen sind, der einen Gasstrom von oben und unten in die Absaugleitung ergibt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen Fig.l eine erste Ausbildung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, Fig.2 eine abgewandelte Ausbildung, bei welcher im Anschluss an eine karbothermische Vorwärmung des Koksrings eine induktive Beheizung vorgesehen ist, und Fig.3 die kaskadenartige Anordnung von Vorrichtungen entsprechend der Fig.l zur Erzielung hochreiner Metallschmelzen durch fraktionierte Reduktion.
In Fig.l ist mit 1 ein Reaktor bezeichnet, in welchem eine Kokssäule 2 angeordnet ist. Der Koks wird über eine Schleuse 3 in einen den zentralen Aufgaberaum 4 umgebenden Ringraum 5 aufgegeben, wobei die Schleuse 3 als DoppelglockenverSchluss ausgebildet ist, deren oberer Teil in Richtung des Doppelpfeils 6 in Höhenrichtung verschiebbar ist, um die Schleuse zu öffnen oder zu schließen. In den zentralen Aufgaberaum 4 erfolgt die Aufgabe der Charge in Richtung des Pfeils 7, wobei diese Charge an einem Punkt an der Unterkante des Ringraums 5 auf der Kokssäule auftrifft, an welchem der Koks bereits auf entsprechend hohe Temperaturen aufgeheizt ist. Zur Aufheizung der Kokssäule im Ringraum 5 ist eine Ringrohrleitung 8 vorgesehen, aus welcher über Düsen 9 Heißluft bzw. Heißwind, Sauerstoff, Verbrennungsgase oder auch Brennstoffe zugeführt werden können, welche im Inneren des Koksringraums 5 die Erhitzung auf Temperaturen bis etwa 1100° C gewährleisten. Die gebildeten Verbrennungsabgase oder Brenngase werden über den Absaugstutzen 10 abgesaugt.
Der Reaktor ist in Achsrichtung mehrfach stufenweise sich vergrößernd ausgebildet, wobei jeweils bei einer stufenweisen
Vergrößerung Ringräume 11 bzw. 12 ausgebildet werden, aus welchen über Absaugstutzen bzw. Absaugleitungen 13 bzw. 14 Gase abgezogen werden können. Über das RohrleitungsSystem 15 kann weiterer Heißwind über Düsen 16 am Fuß des Reaktors eingestoßen werden, sodass sich im Inneren eine entsprechende Strömung ergibt, welche im ersten Teilbereich bis zu den Ringkammern 11 und ggf. bis zu den Ringkammern 12 im Gegenstrom zur herunterfallenden Schlackenschmelze bzw. Metallschmelze geführt wird, und nur im oberen Bereich im Gleichstrom zu den über das Rohrleitungssystem 8 zugeführten Gasen. Insgesamt kann beispielsweise über den Rohrstutzen 13 Kohlenmonoxid und über den Rohrstutzen 14 Zinkoxid sowie Kohlenmonoxid abgesaugt werden, wobei je nach durch Einblasen entsprechender Gase über das Rohrleitungssystem 15 eingestelltem Redoxpotential eine entsprechende Schlacke gebildet wird und ein Metallbad beispielsweise über die Abstichöffnung bzw. den Abstich 17 abgezogen werden kann.
Die Ausbildung nach Fig.2 unterscheidet sich von der Ausbildung nach Fig.l im Wesentlichen dadurch, dass im Anschluss an den ersten ringförmigen Bereich, in welchem der Koksring vorgewärmt wird, eine induktive Erhitzung des bereits heißen Kokses erfolgt, um die gewünschten hohen Temperaturen aufrechtzuerhalten. Zu diesem Zweck sind in einem ersten Teilbereich 18 eine entsprechende Manschette bzw. ein Induktionskörper für das Einbringen elektrischer Energie vorgesehen, wobei im Teilbereich 18 mit höherer Frequenz eingekoppelt wird als in dem nachfolgenden, dem Abstich 17 benachbarten Teilbereich 19. Auch hier wird aus einem entsprechenden Ringraum 11 über einen Anschluss 13 Gas abgezogen, wobei im Fall der Ausbildung nach Fig.2 hier Zinkdämpfe oder Zinkchloride gemeinsam mit Zinnchloriden abgezogen werden können.
Über die Gaszufuhr 9 kann Reinsauerstoff eingeblasen werden, um die gewünschte Erhitzung und Vorwärmung zu gewährleisten. Eine entsprechende Vorwärmung gelingt aber bei entsprechend hoher Frequenz auch durch Erhitzen über die Wicklungen im Teilbereich 18, wobei hier eine entsprechend geringere Vorwärmung ausreichen würde, wenn nachfolgend mit Sauerstoff nachverbrannt wird. Die Vorwärmung erfolgt hierbei naturgemäß im Gegenstrom, wohingegen die Verflüchtigung von Zinkdämpfen, Zinkchlorid bzw. das Abziehen von Kohlenmonoxid in Gleichstrombereichen erfolgt, an welche wiederum ein im Gegenstrom begaster Schmelz- reduktionsbereich anschließt, welcher im Fall der Ausbildung nach Fig.2 von den Spulen im Teilbereich 19 umschlossen ist.
Bei der Ausbildung nach Fig.3 ist nun eine Mehrzahl von Reaktoren entsprechend der Fig.l kaskadierend hintereinander angeordnet, wobei die Bezugszeichen der Fig.l beibehalten wurden. Aus dem ersten derartigen Reaktor Ia kann nun, bei entsprechend gewählter Temperatur und entsprechend gewählter Gaszufuhr zur Einstellung des Reduktionspotentials über das Rohrleitungssystem 15, Kupfer metallisch abgezogen werden, wobei die schmelzflüssige Schlacke unmittelbar über die Leitung 20 dem nachfolgenden Reaktor Ib aufgegeben werden kann. Auch hier kann die Einstellung, und insbesondere die Einstellung des Redoxpotentials, so getroffen werden, dass keine vollständige Reduktion erfolgt, sodass beispielsweise ein Nickelbad abgezogen werden kann und die verbleibende Schlacke wiederum über eine Leitung 20 dem dritten Reaktor Ic aufgegeben werden kann. Wenn in diesem dritten Reaktor Ic entsprechend stärker reduzierende Bedingungen eingestellt werden, kann hier nunmehr beispielsweise Eisenschmelze abgezogen werden, sodass durch die kaskadierende Anordnung einer Mehrzahl derartiger Reaktoren eine fraktionierte Reduktion von flüssigen Metallen möglich wird.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e :
1. Verfahren zum Aufarbeiten von metalloxidhältigen Stäuben oder Schlacken mit einem beheizten, säulenförmigen Koksbett, aus welchem in axialer Richtung nach dem kopfseitigen Aufgabeende Reaktionsgase abgezogen und am Fuß Schmelze abgestochen werden, dadurch gekennzeichnet, dass das säulenförmige Koksbett in einem ersten Teilbereich seiner axialen Länge als Koksring um eine zentrale Aufgabeöffnung angeordnet wird, dass der Koksring beheizt wird und dass die Aufgabe der festen Stäube oder der Schmelze unterhalb der Aufgabeebene für Koks in den Koksring in das heiße Koksbett vorgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der die Aufgabeöffnung umgebende Koksring durch heiße Verbrennungsabgase, Heißwind und/oder Sauerstoff sowie erforderlichenfalls zusätzlichen, im Koksring verbrannten Brennstoff beheizt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer aufzuarbeitenden Charge und/oder in den Koksring saure Additive chargiert werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Charge über die zentrale Aufgabeöffnung im Bereich einer Kokstemperatur von über 500° C, insbesondere über 1000° C aufgegeben wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Heißwind oder Sauerstoff in wenigstens einer Ebene in das Koksbett eingeblasen wird, welche der Unterkante des Koksrings entspricht oder unterhalb dieser Unterkante liegt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionspotential der Kokssäule durch Einblasen von heißen Gasen eingestellt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren kaskadierend in mehreren aufeinander folgenden Verfahrensstufen in voneinander getrennten säulenförmigen Koksbetten mit jeweils ansteigendem Reduk- tionspotential zur fraktionierten Gewinnung von Metallschmelzen durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Eduktstaub bzw. die Charge vor der Aufgabe in den Ringschacht-Koksofen mit sauren Additiven unter oxidierenden Bedingungen insbesondere bei Temperaturen zwischen 1100° C und 1300° C kalziniert werden.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einem Reaktor mit einer beheizbaren
Kokssäule, einem kopfseitigen Aufgabeende für die Charge und einem kopfseitigen Aufgabeende für Koks sowie wenigstens einer verschließbaren Abstichöffnung für Metall- und/oder Schlackenschmelze, dadurch gekennzeichnet, dass am kopfseitigen Ende ein zentraler Aufgaberaum (4) für die Charge ausgebildet ist, der von einem Ringraum (5) für die Aufnahme von Koks umgeben ist, dass an den Koks-Ringraum (5) Düsen (9) für Heißwind, Sauerstoff und/oder heiße Verbrennungsabgase sowie ggf. Brennstoffe angeschlossen sind, dass der Koks-Ringraum (5) an seinem kopfseitigen kalten Ende eine druckfeste Schleuse (3) aufweist und dass an den Reaktor an oder unterhalb der Unterkante des Koks-Ringraums (5) Absaugleitungen (13) für Reaktionsgase angeschlossen sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass an den Reaktor (1) in Höhenrichtung aufeinanderfolgend eine Mehrzahl von Gaszuführungs- (8,15) und Gasabsaugleitungen (13,14) angeschlossen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasabsaugleitungen (13,14) an Ringräume angeschlossen sind, welche durch stufenweises Vergrößern der lichten Weite des Reaktors (1) ausgebildet sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9, 10, oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die druckfeste Schleuse (3) als Doppel- glockenverschluss ausgebildet ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Reaktoren (Ia, Ib, Ic) kaskadierend hintereinander angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Absaugleitungen (13,11) in Bereichen des Reaktors (1) unter einem Unterdruck angeschlossen sind, der einen Gasstrom von oben und unten in die Absaugleitung (13,14) ergibt.
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