DD262676A5 - Verfahren und einrichtung zur gewinnung von metallen bzw. metallegierungen - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Metallen bzw. Metallegierungen sowie eine Einrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens. Bei dem Verfahren werden Metalle bzw. Metallegierungen, insbesondere Ferrolegierungen, durch Reduktion von Metalloxiden in einer Reduktionszone, die aus einem von Reduktionsgas durchstroemten Kohlebett gebildet wird, gewonnen. Um Metalle zu erhalten, welche eine hohe Affinitaet zu Sauerstoff besitzen, wird das Kohlebett aus drei Festbettschichten (A, B, C) gebildet, wobei eine unterste, einen fluessigen Sumpf aus reduziertem Metall (3) und Schlacke (4) bedeckende Festbettschicht (A) aus entgaster Kohle vorgesehen wird. Weiter wird in eine mittlere Festbettschicht (B) Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas eingeleitet, um ein heisses Reduktionsgas zu bilden, und im Abstand darueber wird in die mittlere Festbettschicht (B) feinkoerniges oxidisches Einsatzmaterial eingefuehrt. In eine oberste Festbettschicht (C) werden Verbrennungsgase aus Kohlenstoffteilchen und Sauerstoff bzw. sauerstoffhaltigem Gas eingeleitet. Fig. 1
Description
Hierzu 2 Seiten Zeichnungen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Metallen bzw. Metallegierungen, insbesondere Ferrolegierungen durch Reduktion von Metallpxiden in einer Reduktionszone, die aus einem von Reduktionsgas durchströmten Kohlebett gebildet wird, sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
In der EP-A-0174291 ist ein Verfahren zum Erschmelzen von Metallen, z. zw. Kupfer, Blei, Zink, Nickel, Kobalt und Zinn, aus oxidischen feinkörnigen Nichteisenmetallerzen beschrieben, wobei das Einsatzmaterial in eine Reduktionszone eingebracht wird, die von einer Kohlewirbelschicht in einem Einschmelzvergaser gebildet wird. Beim Passieren dieser Reduktionszone wird das oxidische Einsatzmaterial zu Metall reduziert, welches im unteren Teil des Einschmelzvergasers gesammelt wird. Es hat sich gezeigt, daß das Verfahren nach der EP-A-0174291 zur Reduktion von Oxiden, die mit elementarem Kohlenstoff bei Temperaturen unter 1000 0C reagieren, mit Vorteil angewendet werden kann, daß es jedoch bei der Gewinnung von Metallen und Metallegierungen, insbesondere Ferrolegierungen, wie Ferromangan, Ferrochrom und Ferrosiliciurri, welche aus ihren Oxiden erst bei Temperaturen von über 10000C mit elementarem Kohlenstoff als Reduktionsmittel gewonnen werden können, zu Schwierigkeiten kommen kann, weil die Kontaktzeit dieses bei höheren Temperaturen reagierenden oxidischen Einsatzmaterials mit den die Wirbelschicht bildenden Kohlenstoffteilchen relativ kurz ist.
Es ist das Ziel der Erfindungen Verfahren und eine Einrichtung zur Gewinnung von Metallen bzw. Metallegierungen zur Anwendung zu bringen, welches einen wirtschaftlichen Schmelzvorgang gewährleistet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde(ein Verfahren zur Gewinnung von Metallen bzw. Metallegierungen, insbesondere Ferrolegierungen durch Reduktion von Metalloxiden in einer Reduktionszone, die aus einem von Reduktionsgas durchströmten Kohlebett gebildet wird, sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, welche es ermöglichen, Metalle und Metallierungen, insbesondere Ferrolegierungen, wie Ferromangan, Ferrochrom und Ferrosilicium, aus feinkörnigem oxidischem Material in einem Einschmelzvergaser herzustellen, wobei das Metall eine so hohe Affinität zu Sauerstoff hat, daß es erst oberhalb 10000C mit elementarem Kohlenstoff reagiert
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Kohlebett aus drei Festbettschichten gebildet wird, wobei
— eine unterste, einen flüssigen Sumpf aus reduziertem Metall und Schlacke bedeckende Schicht aus entgaster Kohle vorgesehen wird,
— in eine mittlere Schicht Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas eingeleitet wird, um ein im wesentlichen aus CO bestehendes heißes Reduktionsgas zu bilden, und im Abstand darüber in die mittlere Schicht feinkörniges oxidisches Einsatzmaterial eingeführt wird; und
— in eine oberste Schicht Verbrennungsgase aus Kohlenstoffteilchen und Sauerstoff bzw. sauerstoffhältigem Gas eingeleitet werden.
Vorteilhaft wird feinkörniges oxidisches Einsatzmaterial mit einer Korngröße bis zu 6mm eingesetzt.
Zweckmäßig wird zur Bildung der Festbettschichten Kohlemiteiner Korngröße von 5 bis 100 mm, insbesondere 5 bis 30 mm, verwendet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Dicke der mittleren und obersten Festbettschicht zwischen 1 und 4m gehalten.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß aus dem die Reduktionszonen passierenden Abgas staubförmige Kohlenstoffteilchen abgeschieden und diese Kohlenstoffteilchen, vorzugsweise in heißem Zustand, zusammen mit Sauerstoff oder sauerstoffhältigem Gas Brennern zugeführt wird, die in die oberste Festbettschicht gerichtet sind.
Das von Kohlenstoffteilchen befreite Abgas kann als Fördermedium für das feinkörnige oxidische Einsatzmaterial verwendet werden.
Als Kohle wird vorzugsweise eine solche eingesetzt, die nach Entgasung ihren stückigen Charakter beibehält, so daß bei einem eingesetzten Korngrößenbereich von 5 bis 100mm, vorzugsweise 5 bis 30mm, nach Entgasung noch mindestens 50% der entstandenen entgasten Kohle innerhalb des ursprünglichen Korngrößenbereiches von 5 bis 100mm bzw. von 5 bis 30mm vorhanden ist und der Rest als Unterkorn vorliegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, daß alle bekannten Vorteile der Reduktionsprozesse in mitfossiiber Energie gefeuerten Schachtofen erhalten bleiben, wie Gegenstromwärmetausch, metallurgische Reaktion im Festbett mit elementarem Kohlenstoff, welche für die Reduktion von Oxiden unedler Metalle erforderlich ist, und gute Trennung von Metall und Schlacke.
Die Verkokung bzw. die Entgasung von Kohle kann ohne Bildung von Teer und anderer kondensierbarer Verbindungen durchgeführt werden. Das bei der Entgasung der Kohle gebildete Gas wirkt als zusätzliches Reduktionsmittel zu den aus der Vergasung der entgasten Kohle gebildeten Reduktionsgasen.
Das eingesetzte oxidische Material kann nach einer besonderen Ausführungsform in einer Vorreduktionsstufe vorreduziert werden, was sich besonders beim Erzeugen von Ferrolegierungen, wo der Eisenoxidanteil des Einsatzmateriales dieser Reduktion zugänglich ist, als vorteilhaft erwiesen hat.
Ein besonderer Vorteil des Verfahrens ist darin zu sehen, daß die Reduktion von Oxiden unedler Elemente, wie beispielsweise Silicium, Chrom, Mangan ohne Verwendung von elektrischer Energie durchgeführt werden kann. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird auf einfache Weise die für die Entgasung der Kohle erforderliche Energie gesteuert, da das Unterkorn (kleiner als 5mm) mit den heißen Gasen des Einschmelzvergasers ausgetragen, abgeschieden und in die obere Einblaszone sauerstoffhältiger Gase rückgeführt und mittels der sauerstoffhältigen Gase oxidiert wird, wobei Wärme frei wird.
Das Kornzerfallsverhalten wird so getestet, daß eine Kohle-Kornfraktion von 16 bis 20 mm einer einstündigen Entgasung ineiner auf 14000C vorerhitzten Kammer unterworfen wird. Das Kammervolumen beträgt 12dm3. Nach Abkühlung durch Spülen mit kaltem Inertgas wird die Kornverteilung bestimmt.
Die Erfindung umfaßt des weiteren eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem feuerfest ausgekleideten schachtförmigen Einschmelzvergaser, der im Oberteil eine Chargieröffnung zum Einbringen von Kohle sowie eine Gasableitung aufweist, die Seitenwand des Einschmelzvergasers von Zuleitungen für Kohlenstoffteilchen und Sauerstoff bzw. sauerstoffhältiges Gas durchsetzt ist und ein unterer Abschnitt zum Sammeln von schmelzflüssigem Metall und flüssiger Schlacke vorgesehen ist. Diese ist dadurch ausgebildet, daß unter Herausbildung von drei übereinander angeordneten Festbettschichten A, B, C
— im Bereich zwischen der untersten Festbettschicht A und der mittleen Festbettschicht B ein Kranz von Einblasrohren für Sauerstoff bzw. sauerstoffhältiges Gas vorgesehen ist,
— im Abstand darüber ein Kranz von Einblasrohren für feinkörniges oxidisches Einsatzmaterial und
— im Abstand darüber im Bereich zwischen der mittleren Festbettschicht B und der obersten Festbettschicht C ein Kranz von mit Kohlenstoffteilchen und Sauerstoff bzw. sauerstoffhältigem Gas beschickten Brennern vorgesehen sind.
Vorteilhaft ist in der Gasableitung ein Heißzyklon zum Abscheiden von Kohlenstoffteilchen aus dem Abgas vorgesehen und ist das Austragsende dieses Heißzyklons mit dem Kranz von Brennern leitungsmäßig verbunden.
Gemäß einer besondere Ausführungsform steht mit dem Heißzyklon ein weiterer Heißzyklon in leitungsmäßiger Verbindung, wobei in diese Verbindungsleitung zwischen den beiden Heißzyklonen eine Chargiervorrichtung für oxidisches Einsatzmaterial mündet; das Austragsende des weiteren Heißzyklons ist mittels einer Förderleitung mit dem Kranz von Einblasrohren für das oxidische Einsatzmaterial verbunden.
Die Erfindungsoll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
Fig. 1: den Einschmelzvergaser in einer schematischen Darstellung mit einer angeschlossenen Zusatzeinrichtung; Fig. 2: das Temperaturprofil im Einschmelzvergaser.
Ein schachtförmiger Einschmelzvergaser 1 ist mit einer feuerfesten Auskleidung 2 versehen. Der Bodenbereich des Einschmelzvergasers 1 dient zur Aufnahme von schmelzflüssigem Metall 3 und schmelzflüssiger Schlacke 4. Eine Abstichöffnung 5 für Metall und eine Abstichöffnung 6 für die Schlacke sind weiterhin angeordnet. Im Oberteil des Einschmelzvergasers 1 ist eine Chargieröffnung 7 zur Zugabe von stückiger Kohle vorgesehen. Oberhalb des Flüssigsumpfes, der aus Metall 3 und Schlacke 4 besteht, ist das Kohlefestbett ausgebildet, welches eine nicht durchgaste unterste Festbettschicht A aus entgaster Kohle, eine darüber befindliche durchgaste mittlere Fettbettschicht B aus entgaster Kohle und eine darüber befindliche, durchgaste oberste Festbettschicht C aus Kohleteilchen umfaßt.
Die Seitenwand des Einschmelzvergasers 1 ist von Einblasrohren durchgesetzt, z. zw. von einem Kranz Einblasrohren 8 für Sauerstoff oder sauerstoffhaltige Gase. Diese Einblasrohre 8 sind im Grenzbereich zwischen der nicht durchgasten Festbettschicht A und der Festbettschicht B angeordnet. Im Abstand darüber, u. zw. im mittleren bis oberen Teil der Festbettschicht B, mündet ein Kranz von düsenförmig ausgebildeten Einblasrohren 9, durch welche feinkörniges oxidisches Einsatzmaterial in die mittlere Festbettschicht B eingeblasen wird.
Im Abstand darüber, u. zw. im Grenzbereich zwischen der Festbettschicht B und der Festbettschicht C, ist ein Kranz von die Seitenwand des Einschmelzvergasers 1 durchsetzenden Brennern 10 vorgesehen, in welche ein Gemisch aus staubförmigen Kohlenstoffteilchen und Sauerstoff bzw. sauerstoffhältigem Gas eingeführt wird. Vom oberen Teil des Einschmelzvergasers 1 führt eine Gasableitung 11 weg, die das entstandene Abgas zu einem Heißzyklon 12 führt. Staubförmige Kohlenstoffteilchen, die in dem Abgas suspendiert sind, werden im Heißzyklon 12 abgeschieden und vom Austragsende des Heizzyklons 12, in welchem eine Dosiereinrichtung 13 vorgesehen ist, durch eine Leitung 14 dem Kranz von Brennern 10 zugeführt. Eine zu den Brennern führende Leitung 15 für sauerstoffhältiges Gas bezeichnet. Mit der Dosiereinrichtung 13 kann der Füllstand des Heißzyklons 12 geregelt und die Abscheidewirkung des Heißzyklons 12 beeinflußt werden.
Vom Oberteil des Heißzyklons 12 führt eine Leitung 16 zu einem weiteren Heißzyklon 17. In die Verbindungsleitung 16 mündet eine Chargiervorrichtung 18, die aus einem feinkörniges oxidisches Einsatzmaterial enthaltenden Bunker 19 beschickt wird. Das Gas aus der Leitung 16 dient als Fördermedium. Vom Austragsende des Heißzyklons 17 wird das feinkörnige oxidische Einsatzmaterial in eine Förderleitung 20 ausgetragen und von dort durch eine Leitung 21 den Einblasrohren 9 zugeführt. Vom oberen Ende des Heißzyklons 17 führt eine Leitung 22 weg, durch welche das überschüssige Abgas abgeführt wird. Es kann abgekühlt und komprimiert werden und durch eine Leitung 23 als Fördermedium in die Leitung 21 eingeblasen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhaft so ausgeführt, daß die in dem Oberteil des Einschmelzvergasers 1 chargierte Kohle in der Festbettschicht C entgast wird. Die für die Entgasung erforderliche Wärme wird einerseits von den heißen Reduktionsgasen geliefert, die aus der Festbettschicht B aufsteigen, andererseits durch Verbrennungswärme der festen Kohlenstoffteilchen, die mittels sauerstoffhältiger Gase in den Brennern 10 verbrannt werden. Die vertikale Erstreckung der Festbettschicht C wird so gewählt, daß das die Festbettschicht C verlassende Gas eine Mindesttemperatur von 95O0C aufweist. Dadurch ist sichergestellt, daß Teere und andere kondensierbare Verbindungen gekrackt werden. Eine Verstopfung der Festbettschicht C ist damit ausgeschlossen. In der Praxis erweist sich eine Schichtdicke für die Festbettschicht C von 1 bis 4m als vorteilhaft. Eine vertikale Erstreckung von 1 bis 4m erweist sich auch für die Festbettschicht B als vorteilhaft. Die in der Festbettschicht C entgaste Kohle bildet beim Absinken nach unten die Festbettschicht B.
Das feinkörnige oxidische Einsatzmaterial wird durch das heiße Reduktionsgas und den Flugstaub im weiteren Heißzyklon 17 vorreduziert und aus dem Gas wieder ausgeschieden. Eine Beladung des heißen Reduktionsgases mit feinkörnigem kohlenstoffhaltigem Staub kann sich vorteilhaft erweisen, da der Kohlenstoff mit dem bei der Reduktion gebildeten CO2 unter Bildung von CO reagiert, wodurch der stark reduzierende Charakter des heißen Gases aus dem Einschmelzvergaser 1 aufrecht bleibt. Das nach erfolgter Vorreduktion mit dem im Flugstaub abgeschiedene feinkörnige oxidische Einsatzmaterial wird in der Festbettschicht B aufgeschmolzen und durch den elementaren Kohlenstoff reduziert. Die für das Schmelzen und die Reduktion erforderliche Wärme wird durch Vergasung von heißer entgaster Kohle mittels sauerstoffhältiger Gase, die über die Einblasrohre 8 in den Vergaser eingebracht werden, aufgebracht. Das in der Festbettschicht B entstehende schmelzflüssige Metall und die schmelzflüssige Schlacke 4 fließen nach unten und werden unterhalb der Festbettschicht A gesammelt und abgestochen.
Beispielhaft ist die Herstellung von Ferromangan wie folgt möglich: 1.
| Erz: | Kohle: | 5,7% |
| Korngröße: 0-10 mm (Feinerz) | Mittelflüchtige, bituminöse mit ca. | 11,8% |
| Manganerz mit ca. 42% Mn-Gehalt | 2,2% | |
| Analyse: Fe | 5,2% | |
| CaO | 0,1 % | |
| MgO | 53,2% | |
| SiO2 | 17,9% | |
| AI2O3 | 1,5% | |
| MnO | ||
| CO2 | 61% C | |
| H2O |
Mittelflüchtige, bituminöse mit ca.
25%flüchtige Bestandteile 10% Asche 4% H2O
Kornband: 1—40 mm 0
Einsatz: 1 750 kg Kohle pro t Ferromangan 75%ig
3. Ferromangananalyse:
| Mn | 75% | |
| C | 7% | |
| Si | 0,8% | |
| S | 0,02% | |
| 4. | O2-Bedarf: | 950 Nm3 pro t Ferromangan. |
| CJl | Gasmenge: | 3 200 Nm3 pro t Ferromangan mit einem Heizwert von Hu ca. 2 000 cal pro Nm3 |
In Fig. 2 ist das Temperaturprofil über die Höhe des Einschmelzvergasers 1 veranschaulicht, wobei auf der Ordinate die Höhenverhältnisse und auf der Abszisse die Temperaturen eingetragen sind. Die voll ausgezogenen Linien geben den Temperaturverlauf der zugesetzten Kohle und die strichlierten Linien den Temperaturverlauf des entsprechenden Gases wieder. Die markierte Höhe 8' repräsentiert den Kranz der Einblasrohre 8, die bezeichnete Höhe 9' das Niveau der Einblasrohre 9 für feinkörniges oxidisches Einsatzmaterial (Erz), die bezeichnete Höhe 10' die Kohlenstoffteilchenrückführung durch die Brenner 10, die markierte Höhe 24', Festbettobergrenze 24 und die Höhe 11' die Gasableitung 11 bzw. die Chargieröffnung 7 für Kohle.
Claims (9)
1. Verfahren zur Gewinnung von Metallen bzw. Metallegierungen, insbesondere Ferrolegierungen durch Reduktion von Metalloxiden in einer Reduktionszone, die aus einem von Reduktionsgas durchströmten Kohlebett gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlebett aus drei Festbettschichten (A, B, C) gebildet wird, wobei
— eine unterste, einen flüssigen Sumpf aus reduziertem Metall (3) und Schlacke (4) bedeckende Festbettschicht (A) aus entgaster Kohle vorgesehen wird,
— in eine mittlere Festbettschicht (B) Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas eingeleitet wird, um ein im wesentlichen aus CO bestehendes heißes Reduktionsgas zu bilden, und im Abstand darüber in die mittlere Festbettschicht (B) feinkörniges oxidisches Einsatzmaterial eingeführt wird; und
— in eine oberste Festbettschicht (C) Verbrennungsgase aus Kohlenstoffteilchen und Sauerstoff bzw. sauerstoffhältigem Gas eingeleitet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß feinkörniges oxidisches Einsatzmaterial mit einer Korngröße bis zu 6 mm eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Festbettschichten (A, B, C) Kohle mit einer Korngröße von 5 bis 100 mm, insbesondere 5 bis 30 mm, verwendet wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der mittleren und obersten Festbettschicht (B, C) zwischen 1 und 4m gehalten wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem die Reduktionszonen passierenden Abgas staubförmige Kohlenstoffteilchen abgeschieden und diese Kohlenstoffteilchen, vorzugsweise in heißem Zustand, zusammen mit Sauerstoff oder sauerstoffhäitigem Gas Brennern (10) zugeführt werden, die in die oberste Festbettschicht (C) gerichtet sind.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß von Kohlenstoffteilchen befreite Abgas als Fördermedium für das feinkörnige oxidische Einsatzmaterial verwendet wird.
7. Einrichtung zur Gewinnung von Metallen bzw. Metallegierungen, insbesondere Ferrolegierungen durch Reduktion von Metalloxiden in einer Reduktionszone, die aus einem von Reduktionsgas durchströmten Kohlebett gebildet wird mit einem feuerfest ausgekleideten schachtförmigen Einschmelzvergaser, der im Oberteil eine Chargieröffnung zum Einbringen von Kohle sowie eine Gasableitung aufweist, die Seitenwand des Einschmelzvergaser von Zuleitungen für Kohlenstoffteilchen und Sauerstoff bzw. sauerstoffhältigem Gas durchsetzt ist und ein unterer Abschnitt zum Sammeln von schmelzflüssigem Metall und flüssiger Schlacke vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß unter Bildung von drei übereinander angeordneten Festbettschichten (A, B, C)
— im Bereich zwischen der untersten Festbettschicht (A) und der mittleren Festbettschicht (B) ein Kranz von Einblasrohren (8) für Sauerstoff bzw. sauerstoffhältiges Gas vorgesehen ist,
— im Abstand darüber ein Kranz von Einblasrohren (9) für feinkörniges oxidisches Einsatzmaterial und
— im Abstand darüber im Bereich zwischen der mittleren Festbettschicht (B) und der obersten Festbettschicht (C) ein Kranz von mit Kohlenstoffteilchen und Sauerstoff bzw. sauerstoffhältigem Gas beschickten Brennern (10) vorgesehen sind.
8. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gasableitung (11) ein Heißzyklon (12) zum Abscheiden von Kohlenstoffteilchen aus dem Abgas vorgesehen ist und das Austragsende dieses Heißzyklons (12) mit dem Kranz von Brennern (10) leitungsmäßig verbunden ist.
9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Heißzyklon (12) ein weiterer Heißzyklon (17) in leitungsmäßiger Verbindung steht, in diese Verbindungsleitung (16) zwischen den beiden Heißzyklonen (12; 17) eine Chargiervorrichtung (18) für oxidisches Einsatzmaterial mündet und dasÄustragsende des weiteren Heißzyklons (17) mit einer Förderleitung (20) zu dem Kranz von Einblasrohren (9) für das oxidische Einsatzmaterial verbunden ist.
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