DE3212100A1

DE3212100A1 - Verfahren und vorrichtung zur durchfuehrung pyrometallurgischer prozesse

Info

Publication number: DE3212100A1
Application number: DE19823212100
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr Melcher; Wolfgang Prof Wuth
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1982-04-01
Filing date: 1982-04-01
Publication date: 1983-10-06
Also published as: DE3212100C2; US4493732A

Description

WUTH/KHD H 82/9

Anlage zum Patentgesuch des

Herrn Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Wuth, Berlin

und der
Klöckner-Humboldt-Deutz AG, Köln

vom 25. März 1982

Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung pyrometallurgischer Prozesse.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung pyrometallurgischer Prozesse, insbesondere zum Reaktionsschmelzen feinkörniger Feststoffe und/oder zur Nachbehandlung einer Schmelze, bei welchem ein exotherm reagierendes Feststoff/Gas-Gemisch als heterogene Strömung durch eine Düse gefördert und im Strahl auf die Schmelze aufgeblasen wird.

Bei einem bekannten Verfahren zur pyrometallurgischen Behandlung von feinkörnigen, bei Behandlungstemperaturen schmelzflüssige Produkte ergebenden Feststoffen mit sauerstoffreichen Gasen und gegebenenfalls Energieträgern unter Verwendung einer Zyklonkammer wird vorgeschlagen, daß die Feststoffe, sauerstoffreichen Gase und gegebenenfalls Energieträger unterhalb der Reaktionstemperatur zu einer Suspension vermischt, mit einer eine Rückzündung ausschließenden Geschwindigkeit in eine vertikale Brennstrecke eingetragen und dort zur Reaktion gebracht werden und die gebildete, nunmehr überwiegend schmelzflüssige Partikeln enthaltende Suspension in die Zyklonkammer eingetragen wird.
Diese ist mit horizontaler Achse angeordnet (DE-AS 22 53 074). Am Ende der Brennstrecke wird eine

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Verbrennungstemperatur erreicht, die durch ein Gleichgewicht bestimmt wird, das sich aus der vorgegebenen theoretischen Verbrennungstemperatur und dem Wärmeentzug infolge Wandkühlung von Brennstrecke und Zyklonkammer ergibt. Beim Eintritt in die Zyklonkammer werden gasförmige und flüssige Reaktionsprodukte durch Fliehkräfte getrennt. Die Schmelzphase gelangt in Form eines Filmes an die Zyklonkammerwand. Da diese Wand einer hohen Temperaturbeanspruchung ausgesetzt ist, wird sie von außen durch Verdampfungskühlung geschützt, wobei sich innen als Schutzschicht ein Belag aus erstarrter Schmelze bildet. Hierdurch wird dem Schmelzfilm Wärme entzogen. Aus der Zyklonkammer läuft der Schmelzfilm in einen Herd ab, in welchem eine Raffinations-Nachbehandlung der schmelzflüssigen Phasen erfolgt. Gase und Dämpfe werden nach Durchlauf durch eine Einrichtung zum Abscheiden von Staub und schmelzflüssigen Tröpfchen zur Gewinnung darin enthaltener Metalloxide und Wärmeenergie abgezogen.

Bei dem bekannten Verfahren bewirkt die unvermeidliche Kühlung der Brennstrecke sowie der Zyklonkammer eine Erniedrigung der Arbeitstemperaturen sowohl in der Gasphase als auch in der Schmelzphase, die demnach unterhalb der theoretisch erreichbaren Temperaturhöhen liegen. Dies ist ein Nachteil, da hohe Temperaturen sowohl beim Schmelzvorgang in der Flamme als auch bei Reaktionen in der kondensierten Phase beispielsweise für eine möglichst weitgehende Verflüchtigung von Begleitmetalien, sowie zur Verhinderung von Magnetitbildung in der Schlacke erforderlich sind.

Da beim Suspensionsschmelzen nach dem bekannten Verfahren nur ein sehr dünner Film der schmelzflüssigen Phase über die auf Erstarrungstemperatur gekühlten Wandbereiche der Zyklonkammer fließt, erreicht wie gesagt die Schmelze im

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Sammelraum ein Temperaturniveau, das zwangsläufig unterhalb der von der Reaktionstemperatur her erreichbaren Höhe liegt. Ein intensiver Stoffaustausch zwischen schmelzflüssigen Teilchen mit unterschiedlichem Reaktionsrespektive Oxidationszustand und der produzierten Schmelze ist dabei kaum, beziehungsweise nur in sehr geringem Umfang möglich, auch deshalb, weil in der Schmelze keine nennenswerte Badbewegung stattfindet.

Relativ niedrige Temperaturen der unterschiedlichen Schmelzphasen Schlacke, Stein und Metall wirken sich auch nachteilig auf deren Trennung aus. überdies kann es infolge starker Oxidation zu erheblicher Magnetitbildung (Fe,Q.) in der Schlacke kommen, was dieser unerwünschte Zähigkeit verleiht und infolgedessen das Ausseigern von Anteilen der Metall- und Steinphase verzögert oder verhindert. Ein relativ hoher Metallanteil in der Schlacke ist die nachteilige Folge.

Ähnlich nachteilig wirken sich relativ niedrige Reaktionstemperaturen auch auf die Verflüchtigung von Begleitmetallen wie Zinn, Zink, Antimon, Arsen, Wismut, Germanium etc. aus. Diese werden daher nur zum Teil verflüchtigt, und gelangen mit zu hohen Anteilen als Verunreinigungen in das gewonnene edlere Metall.

Um derartige Nachteile zu vermeiden, wurde bereits ein Verfahren zur kontinuierlichen Verarbeitung von Buntmetallrohstoffen, insbesondere von Kupfer/Zink-Konzentraten vorgeschlagen, bei welchem das Niederschmelzen des Ausgangmaterials in der Atmosphäre eines freien Sauerstoff enthaltenden Gases und das Reduktionsschmelzen der gewonnenen Schmelze mittels Gasplasmaflamme mit Temperaturen von 4000 bis 5000 ⁰C durchgeführt wird, wobei die Oberflächentemperatur der Schmelze im Bereich von 1500 bis 1600 ⁰C gehalten wird (DE-OS 26 55 397).

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Nachteil des bekannten Plasma-Reduktlonsschmelzverfahrens ist der hohe apparative und energetische Aufwand. Das Verfahren ist somit technisch praktikabel, jedoch wirtschaftlich nicht attraktiv.

Ein anderes bekanntes Verfahren zur kontinuierlichen, in einer einzigen Stufe erfolgenden Gewinnung von Rohkupfer aus Verunreinigungen wie Blei, Antimon, Wismut oder Arsen enthaltenden sulfischen Kupfer/Erz-Konzentraten und/oder -erzen durch Suspensionsschmelzen enthalt die technische Lehre, daß in den Reaktionsschacht im Verhältnis zum Konzentrat und/oder Erz soviel Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft eingespeist wird, daß das Konzentrat oder Erz in der Reaktionszone so stark oxidiert wird, daß sich unterhalb der Reaktionszone eine Schmelze bildet, die lediglich aus Rohkupfer und Schlacke besteht (DE-AS 25 36 392).

Das bekannte pyrometallurgische Verfahren gehört zu einer Reihe ähnlicher oder verwandter Verfahren, welche einem Entwicklungstrend folgend Wege zur Lösung des schwierigen Problems verschlagen, auf pyrometallurgischem Wege sulfidische Konzentrate in einem kontinuierlichen Prozeß "in einer Hitze" unmittelbar zu Metall umzuwandeln.

Eine Aufzählung verschiedener derartiger Prozesse findet sich unter anderem in der US-PS 3,941,587, Spalte 2, unterer Absatz, worin die Feststellung getroffen wird, daß bisher trotz aller Bemühungen keines dieser Verfahren eine zufriedenstellende Lösung der Aufgabenstellung einer unmittelbaren Metallgewinnung ergeben habe.

Die Gründe für die nachteiligen Erfahrungen sind zum Teil verfahrenstechnischer Art, zum Teil lassen sie sich durch die grundsätzliche thermodynamische Situation erklären:

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Der Chalkopyrit, chemisch CuFeS₂, das für die Kupfergewinnung wichtigste Kupfererz-Mineral, darf beispielsweise nur so weit oxidiert werden, daß überwiegend Kupfermetall und wenig Kupferoxid entsteht, während gleichzeitig Schwefel und Eisen möglichst vollständig oxidiert werden sollen. Das Eisen geht zusammen mit Zuschlagstoffen in die Schlackenphase, der Restschwefel in die Sulfidphase (Stein), Metall sammelt sich an der tiefsten Stelle des Reaktorgefäßes. Die kinetischen Eigenschaften der bisherigen Verfahren sind jedoch noch so unzureichend, daß der ideale Gleichgewichtszustand zwischen den flüssigen Phasen nicht erreicht wird:

Die Schlacken enthalten zuviel Kupferoxid und Magnetit, sie sind zu weit oxidiert. Die schweren kupferhaltigen Phasen Stein und Metall sind zu wenig oxidiert, sie enthalten noch zuviel Eisen und Schwefel. Weil die Bedingungen für den Stofftransport im Bereich der Schmelzen unzureichend sind, werden vom Gleichgewichtszustand abweichende Konzentrationen nicht hinreichend ausgeglichen. Deshalb umfassen die gängigen hüttentechnischen Verfahren vom Stand der Technik drei mehr oder weniger getrennte Arbeitsbereiche, das heißt, nach dem Einschmelzen erfolgt eine Konvertierung unter oxidierenden Bedingungen einerseits, und die Schlackenreinigung unter reduzierenden Bedingungen beziehungsweise mittels Schlackenflotation andererseits.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zur Durchführung metallurgischer Prozesse zur Verfügung zu stellen, welches unter Verbesserung bekannter Verfahren eine möglichst weitgehende Verflüchtigung verflüchtigbarer und eine möglichst weitgehende Verschlackung verschlackbarer

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Begleitmetalle ermöglicht und dadurch zu einer hohen Reinheit des gewonnenen Metalles in einem Verfahrensschritt fuhrt. Beispielsweise wird bei der Kupfergewinnung eine so hohe Reinheit des erschmolzenen Metalles erstrebt, daß dieses zumindest der herkömmlichen Konverterqualität, wenn möglich einer Anodenkupfer-Qualität entspricht. Weiter soll das verbesserte Verfahren möglichst energiesparend und bezüglich Menge und Zusammensetzung der Abgase umweltfreundlich sein.

Weiter besteht die Aufgabenstellung auch darin, Schmelzen und insbesondere Schlackenschmelzen zu reduzieren und von Metallgehalten zu verarmen. Hierbei sollen sowohl die Gehalte an Eisen-3-Oxid als auch die Gehalte an Wertmetalloxiden wie zum Beispiel Bleioxid, Zinkoxid, Zinnoxid und andere vermindert werden. Im Vergleich beispielsweise zu Elektroöfen, die häufig zu diesem Zweck eingesetzt werden, soll das neue Verfahren eine betriebskostengünstige Alternative darstellen.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art mit Maßnahmen entsprechend den Merkmalen des Hauptanspruches bzw. des entsprechenden Nebenanspruches gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich der generelle Vorteil, daß Schmelzen durch Kraft- und Wärmeübertragung aus einem heißen Partikelstrahl entsprechend den thermodynamischen Gleichgewichtsbedingungen zwischen Gas und Schmelze gebildet beziehungsweise reduzierend behandelt werden können. Der Umsatz zwischen Gas und Feststoff-Partikeln erfolgt primär überwiegend im Bereich des Partikelstrahles, worin sich mittels hoher Wärmestromdichte und hoher

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Temperaturen besonders reaktionsintensive Verhältnisse einstellen. Die Temperaturen an der heißesten Stelle im Flammenstrahl liegen dabei im Bereich von 2000 ⁰K.

Mit der Erzeugung eines konvektiven Reaktionssystems durch den Partikelstrahl im Auftreffbereich der Schmelze wird erreicht, daß die geschmolzenen Strahlpartikel von der Schmelze aufgenommen und gleichgewichtsentsprechend gelost werden.

Hierbei ist im Falle des Einschmelzens von Konzentraten die gleichgewichtsentsprechende Aufteilung der in den Konzentratpartikeln enthaltenen Bestandteile auf die sich bildenden Schmelzphasen von wesentlicher Bedeutung.

Analog sind die Verhältnisse bei der Schlackenreduktion, wobei mit Hilfe des sehr preisgünstigen Einsatzes von Kohlenstaub im Partikelstrahl sowohl hohe Eisen-3-Gehalte, als auch Wertmetalloxide aus der Schlacke weitgehend entfernt werden können.

Hierbei findet die Reduktion der Oxidphase entsprechend den Gleichgewichten der reduzierend eingestellten Gasphase statt.

Dabei wird durch die erfindungsgemäß erfolgende Zündung des Partikelstrahles unmittelbar beim Austritt aus der Düse die Reaktion von Gas und Feststoff spontan gestartet. Zwar ist es beim Stand der Technik im allgemeinen üblich, daß ein aus der Düse austretendes brennbares Gemisch durch Wärmeaufnahme aus der Umgebung von selbst gezündet wird. Dabei geht aber bis zur effektiven Durchzündung des Strahlkollektivs wertvolle Reaktions-Zeit verloren.

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Mit der Zündung des Strahles unmittelbar beim Austritt aus der Düse wird erfindungsgemäß erreicht, daß die erforderlichen Reaktionen im Strahl stattgefunden haben, bevor seine Kraft an die Umgebung abgegeben worden ist.

Zur Erzeugung eines ausreichend dichten Partikelstrahls soll die Partikelstromdichte an der engsten Stelle der Düse zum Beispiel im Falle der Einschmelzung von Kupfer aus Konzentraten eine Größenordnung von beispielsweise 7 1

100 kg · m"* . s nicht wesentlich unterschreiten.

Diese Partikelstromdichte ist eine Funktion des Düsenruhedruckes und des Feststoff/Gas-Massenverhältnisses, welches aufgrund der Stöchiometrie der Reaktion berechnet wird.

Im Falle der als Anwendungsbeispiel bereits genannten direkten Kupfergewinnung mit Sauerstoff nach diesem Verfahren, wozu aufgrund der Stöchiometrie der Reaktion beispielsweise 0,44 kg Sauerstoff pro kg Chalkopyrit benötigt werden, sowie mit einem angenommenen Düsenruhedruck von 10 bar beträgt die Partikelstromdicht.e:

o,

wird nach den bekannten Düsenausflußformeln berechnet

Sehr wesentlich ist auch die Einstellung einer hohen Wärmestromdichte. Diese trägt zum Beispiel im Falle des Reaktionsschmelzens von Kupfer nach Maßgabe der hierfür benötigten Reaktions-Komponenten etwa größenordnungsmäßig

2 1
0,1 GJ · m . s , bezogen auf den Querschnitt des Partikelstrahles an der heißesten Stelle.

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Im anderen Falle der als Anwendungsbeispiel genannten Reduktion und/oder Verarmung einer wertmetallhaltigen Schlackenschmelze, wird die erfindungsgemäße Herstellung eines reduzierenden Partikelstrahles mit Kohle und Reaktionsgas erforderlich. Hierfür wird aus Gründen der Stöchiometrie beispielsweise 5,80 kg Luft pro kg Kohlenstaub benötigt. Dabei beträgt die Partikelstromdichte für 10 bar Düsenruhedruck

Das Feststoff/Gas-Massenverhältnis wird also durch die Stöchiometrie der Reaktion im Strahl bestimmt; jeweils bezogen auf den beabsichtigten Umsatz, ist dieses Verhältnis für die Oxidation größer 1 und für die Reduktion kleiner 1.

Bei der Wahl des Düsendurchmessers ist davon auszugehen, daß, um Verstopfungen der Düse zu vermeiden, der maximale Partikelstrom bestimmte Höchstwerte nicht überschreiten darf, welche vom Düsendurchmesser, vom Düsenruhedruck sowie von stoffimmanenten Größen wie Teilchendurchmesser und Dichte abhängen:

2 ■ J>j) · U₉ ■ dp · 5>_p [It₉ -S~¹]

_t ma«

Dieser maximale Wert beträgt zum Beispiel für ein Kupferkonzentrat bei Verwendung einer Düse mit 20 mm Durchmesser etwa 1,8 kg · s . In dieser Formel bedeutet ιΛα die Schallgeschwindigkeit der heterogenen Strömung, die kleiner ist als zum Beispiel die Schallgeschwindigkeit des Reaktionsgases Sauerstoff allein; sie kann nach bekannten Zusammenhängen berechnet werden und wird mit dem Feststoff/ Gas-Massenverhältnis kleiner.

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Wegen Stoff-, Impuls- und Wärmeübertragung richtet sich der Abstand zwischen Düse und Bad nach der Strahlkraft, die im wesentlichen eine Funktion des Düsenvordruckes und des Düsendurchmessers ist. Sie ist für jede Reaktion wegen unterschiedlicher Feststoff/Gas-MassenverhMltnisse aus Gründen der Reaktionsstochiometrie verschieden groß. Dieser Abstand kann deshalb zwischen 0,5 und 3 m betragen und ist in den weiter unten angeführten Beispielen für die verschiedenen Reaktionssysteme genauer definiert.

Partikelstrahl und Schmelze bilden in dynamischer Hinsicht ein System, in welchem die gewünschten Reaktionen thermodynamisch und kinetisch günstig, das heißt gleichgewichtsentsprechend und schnell ablaufen können. Das Schmelzvolumen, das von einer Lanze intensiv in Bewegung versetzt und erhitzt werden kann, ist begrenzt. Es hängt von der Gesamtgröße des Partikelstrahl-Schmelzsystems ab, das zudem durch den Abstand Düse/Bad und die dazugehörige Strahlkraft definiert ist. Entsprechende Einzelgrößen sind in den Beispielen genauer definiert. Zur Schmelzbehandlung von Metallen werden beispielsweise höhere Strahlkräfte als für Schlacken benötigt.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 4 sieht dessen Anwendung auf das Reaktionsschmelzen sulfidischer NE-Metallkonzentrate, gegebenenfalls mit Zuschlagen sowie mit Sauerstoff oder Sauerstoff/Luft-Gemischen als Reaktionsgas vor.

Das Reaktionsschmelzen sulfidischer NE-Metallkonzentrate hat besonders für die pyrometallurgische Direktgewinnung von Kupfer Bedeutung. Diese Direktgewinnung ist jedoch wegen zu hoher Kupferverluste in den Schlacken sowie wegen mangelnder Reinheit des so erzeugten Rohkupfers, insbesondere bei Einsatz komplexer Konzentrate, mit

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bekannten Verfahren vom Stand der Technik wirtschaftlich nicht durchführbar; aus Gründen der Verminderung von Energiebedarf und Emission wäre jedoch ein solcher Prozeß als großer Fortschritt zu betrachten.

Mit dem Partikelstrahl-Schmelzsystem nach der Erfindung ist die pyrometallurgische Direktgewinnung im kontinuierlichen, autogenen Verfahren bei kompakter, unkomplizierter Bauweise der entsprechenden Einrichtungen möglich. Die so gewonnenen Produkte des Prozesses lassen sich in herkömmlicher Weise, zum Beispiel Kupfer durch Elektrolyse, Schlacke durch Reduktion, weiterverarbeiten. Selbst bei Einsatz komplexer Konzentrate enthält das nach diesem Verfahren erzeugte Kupfer nicht mehr Verunreinigungen als bei Erzeugung mit den energieaufwendigeren und umweltschädlicheren bekannten Betriebsverfahren. Dieser Vorteil ergibt sich mit der Erfindung, weil im Partikelstrahl wegen der hohen Temperaturen, der großen Reaktionsoberfläche und des intensiven Massenaustausches zwischen Gas und Feststoff auf kleinstem Raum hohe Verflüchtigungsraten verflüchtigbarer Begleitmetalle gewährleistet sind. Das dynamische Verhalten des Gesamtsystems ermöglicht darüberhinaus am Auftreffpunkt des Partikelstrahles an der Oberfläche der Schmelze sowohl schnelle Umsätze als auch gleichgewichtsentsprechende thermodynamische Parameter wie Temperatur, Konzentrationen und Partialdrücke. Aus diesem Grund ist es möglich, eine relativ reine Kupferschmelze mit einer nicht übermäßig oxidierten Schlackenschmelze unter einem Sauerstoffpartialdruck bei 10" bis 10~ bar und einer Temperatur von ca. 1700 K im Gleichgewicht zu halten. Die Schlacke muß in üblicher Weise zur Reduktion und zum Armmachen nachbehandelt werden, wobei die im Anspruch 6 gekennzeichnete Verfahrensvariante mit einem Partikelstrahl von feinkörniger Kohle und Luft/Sauerstoffgemisch zum Einsatz kommen kann.

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Als Beispiel für ein Partikelstrahl-Schmelzsystem zur pyrometallurgischen Direkterzeugung von Kupfer aus sulfidischen Konzentraten werden nachfolgend die technischen Daten und Umsätze spezifiziert:

BEISPIEL Partikelstrahl

Düsendurchmesser Düsenruhedruck Massenstrom des Gases

Strahlkraft stöchiom. Faktor der Reaktion Partikelmassenstrom Partikelstoffstromdichte Temperatur im Strahl

Abstand Düse/Bad Zuschlagstoffstrom

'D

= 20 · 10"³ m

= 10 bar

= 0,78 kg · s"¹ Sauerstoff

= 395 N
= 1,0

1,77 kg · s"¹ Chalkopyrit

5.632 kg · m"² . s'¹ 2.100 K

2 - 3 m

-1

pz 0,28 kg . s SiO₂

Schmelze

Massen der Schmelzen (fl. Metall, fl. Stein, fl. Schlacke, bezogen auf einen Partikelstrahl) Mittlere Verweilzeit der Schmelzen = 2.500 kg

= 1.220 s (0,34 h)

*• · · * ·**	= ca.	* * *	3212100	%
	= 0,62 (ca.		WUTH/KHD H 82/9	.00 jato)
^xo*	= 0,99	100	• s
^mCu	(ca.	kg 16	.700 jato)
"¹SChI	= 1,24	kg	• s"¹
	(ca.	25	.000 jato)
•	kg
	32

SauerstoffUmsatz
Rohkupferdurchsatz

Schlackendurchsatz

S0₂-Durchsatz

(Durchsätze bezogen auf
300 Betriebstage im Jahr)

Die Produkte des Prozesses sind:

Abgas mit ca. 100 % SO₂

Mischoxid entsprechend den verflüchtigbaren Bestandteilen im Konzentrat

Schlacke, je nach Art der Zuschläge Fayalit oder Kalziumferrit

Rohkupfer mit ca. 99 % Cu und Verunreinigungen von

S	0,1
Fe	0,1
0	0,5
Pb	0,1
As	0,2
Zn	0,01
Bi	0,01

Als weiteres vorteilhaftes Anwendungsgebiet für das Verfahren nach der Erfindung kommt gemäß Anspruch 5 das Reduzieren NE-metallhaltiger Schlackenschmelzen mit Kohle/Luft-Gemischen sowie mit sauerstoffangereicherter Luft als Reduktionsgas infrage.

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Die Reduktion von NE-metallhaltigen Schlackenschmelzen wird dem Stand der Technik entsprechend in Elektroöfen, Konvertern oder Herdöfen durchgeführt; verschiedene Reduktionsmittel, wie fester Kohlenstoff, Reduktionsgase oder Pyrit, können dabei Verwendung finden.

Leistungsintensiver und energetisch günstiger kann dies nach der Erfindung mit einem Partikelstrahl, bestehend aus Kohlenstaub und Luft beziehungsweise Luft/Sauerstoff-Gemischen, erreicht werden. Hierbei wird die Schlackenschmelze von den heißen Reaktionsprodukten des teilweise ausgebrannten Strahls intensiv bewegt und erhitzt. Reaktionsprodukte sind Stickstoff, Kohlenmonoxid und teilreagierte Kohlenpartikel.

Die Kohlenteilchen dringen dabei in die Oberfläche der Schlackenschmelze ein; Aschebestandteile der Kohle werden von der Schmelze aufgenommen.

Als Beispiel für ein solches Partikelstrahl-Schmelzsystem werden die nachfolgenden technischen Daten für die Verflüchtigung von Zink und Blei aus einer Blei-Schachtofenschlacke aufgeführt:

Partikelstrahl Düsendurchmesser D,

2 · 10"³ m

Düsenruhedruck

Massenstrom
des Gases

= 10 bar 7,41 · 10'³ kg · s"¹ Luft

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Strahlkraft

stöchiom. Faktor } der Reaktion ¹^

Partikelmassenstrom m

Partikelstoff- q stromdichte (Kohle)

Temperatur im Strahl T Abstand Düse/Bad H, = 3,95 N
= 0,5

1,28 · 10"³ kg . s"¹

407 kg . πΓ² . s"¹

2.200 K

ca. 0,5 - 1,0 m

Schmelze

Einsatz-Masse der m Schmelze (je Partikelstrahl)

Zinkumsatz

von 10 % auf 0,5 % X

Bleiumsatz

von 2 % auf 0,05 % X_pw 500 kg (OliviDschlacke)

= 95 %

= 98 %

Schmelzzeit

Masse des erf.

Brennstoffs

Masse verflüchtigtes Zink

t = 10.800 s (3 Stunden) m = 14 kg Kohle

_Zn - 28,50 kg

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Masse verflüchtigtes

Blei m_pb s 5,85 kg

]<ontinui£rl^£her_Betriebj_

Schlackendurchs. m<;nhi = 0,15 kg

,-4

(54 kg · h"¹;

Zinkverflüchtig. m_Zn = 14 · 10"* kg <

(5,13 kg . h"¹:

Bleiverflüchtig. m_pb = 3 · 1O'^A kg ·

(1,05 kg.h"¹)

Die Produkte des Prozesses sind;

Abgas bestehend aus Stickstoff und Kohlenmonoxid, das nachverbrannt werden muß

Mischoxid mit ca. 79 % Metallgehalt Schlacke mit 0,5 % Zn und 0,05 % Pb für Deponie oder Verkauf.

Weitere Ausgestaltungen und zweckmäßige Parameter sehen unter anderem vor, daß der Abstand zwischen der Austrittsstelle des Strahles und der Oberfläche der Schmelze zwischen 0,5 und 3 m, vorzugsweise weniger als 2 m beträgt.

Zur Erreichung einer intensiven Badbewegung in der Schmelze ist es notwendig, daß deren Tiefe wenigstens dem halben Durchmesser des Auftreffbereiches vom Partikelstrahl entspricht.

Bei einer zu flachen Schmelze wurde die Ausbildung einer Badbewegung erheblich beeinträchtigt werden, während bei

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einem zu tiefen Bad der erforderliche Stofftransport nicht schnell genug vonstatten gehen würde. Die angegebene Badtiefe stellt somit einen vorteilhaft ausgewählten Bereich dar.

Um eine hohe Stoffstromdichte und damit einhergehend auch eine hohe Wärmestromdichte des Partikelstrahles herbeizuführen beziehungsweise beizubehalten, ist es notwendig, daß der Strahl stark gebündelt wird.

Deshalb wird weiter vorgeschlagen, daß sein Ausbreitungswinkel maximal 16 ° beträgt. Dadurch wird im Gegensatz zu andersartigen Strahlausbildungen gezielt verhindert, daß der Strahl vor Erreichen der Schmelze seine Kraft durch Energieabgabe an die Umgebung wesentlich vermindert oder verliert.

Hierfür ist es auch von Vorteil, daß der Strahl erfindungsgemäß einen Durchmesser an der engsten Stelle zwischen 2 und 20 mm aufweist.

Beim Partikelstrahl, der die reaktiven Komponenten im wesentlichen in einer stöchiometrischen Verteilung enthält, ist die zunehmende Dicke wegen geringerer Abstrahlungsverluste und höherer Reaktionsintensität vorteilhaft.

Zudem steigert eine zunehmende Größe des Partikel-Kollektivs die Kraft des Partikelstrahles, wodurch eine rege Badbewegung gefördert wird. Bei gleichbleibender, vorstehend definierter Partikelstromdichte ist deshalb die Einhaltung eines nicht zu geringen Strahldurchmessers erfindungswesentlich.

Im folgenden wird die Erfindung mittels einer Darstellung in der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 einen Schmelzreaktor bekannter Ausführung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Partikelstrahles nach der Erfindung im Schnitt,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Misch- und Beschleunigungsduse mit umgebender Zündflamme.

Fig. 1 zeigt einen Schmelzreaktor 1 bekannter Bauart, in dessen oberem Wandteil die Vorrichtung 2 zur Erzeugung eines Partikelstrahles 3 angeordnet ist. Diese umfaßt einzelne Funktionselemente, wie den Feststoffdosierer 4 mit Feststoffzuführung 5, wobei dieser im gezeigten Beispiel als volumetrisch arbeitende Dosierschnecke 19 ausgebildet ist. Diese fördert feinkörnigen Feststoff in die Mischkammer 7, in welche außerdem durch die Leitung 8 Sauerstoff unter Druck durch die Öffnungen 8¹ eingeblasen wird. Dabei erzeugen die Strahlkräfte des Sauerstoffgases eine innige Durchwirbelung mit dem Feststoff, wodurch eine Mischung in Form einer Feststoff-in-Gas-Suspension hergestellt wird. Diese gelangt unter Druck von einigen bar in die Beschleunigerdüse 10 und bildet im freien Raum 20 des Reaktors 1 den Partikelstrahl 3 aus. Die Beschleunigungsduse 10 ist von einer Ringdüse 21 umgeben, die mit einer Zuführung 22 für ein Zündmittel, zum Beispiel Gas, in Verbindung steht. An der Austrittsstelle 11 des Strahles 3 befindet sich eine ringförmige Zündflamme 12, die den Strahl 3 mantelförmig umgibt und spontan entflammt. Der brennende Partikelstrahl, in dem die geschilderten Reaktionsprozesse und Stoffumsetzungen stattfinden, trifft mit schmelzflüssigen Partikeln beladen im Auftreffbereich "A" auf das Schmelzbad 13 auf, das infolge der Strahlkraft eine schüsseiförmige Einbuchtung 23 bildet. Unterhalb dieser bildet sich eine intensive Strömung aus, wodurch ein konvektives Reaktionssystem entsteht.

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Der Abstand zwischen der Austrittsstelle 11 des Partikelstrahles 3 und der Oberfläche der Schmelze 13 ist mit "H" bezeichnet. Er beträgt beim gezeigten Beispiel ca. 2 m. Der Reaktor 1 kann in einer solchen Breite quer zur Längsrichtung ausgeführt sein, daß er gegebenenfalls zwei und mehr Vorrichtungen 2 zur Ausbildung von Partikelstrahlen 3 nebeneinander und gegebenenfalls auch hintereinander aufnimmt.

Einen Schnitt durch die Vorrichtung 2 zur Erzeugung eines Partikelstrahles zeigt Fig. 2 in vergrößertem Maßstab. Der Feststoffdosierer 4 ist mit einer volumetrisch dosierenden Zuteilschnecke 19 ausgestattet, welche Feststoff aus dem Vorratsbehälter 5 entnimmt und in einer programmierten Menge pro Zeiteinheit in die Mischkammer 7 einträgt. Darin wird der feinkörnige, trockene Feststoff mit Sauerstoffgas durchwirbelt, welches unter Druck durch die Leitung 8 sowie die Ringkammer 34 durch die düsenförmigen Öffnungen 8¹ von allen Seiten in die Mischkammer 7 einströmt. Das auf diese Weise zur Suspension aufbereitete Gas/Partikel-Gemisch gelangt aus der Mischkammer 7 in die Beschleunigungsdüse 10 und tritt an deren unterer Öffnung 35 als gebündelter Partikelstrahl 3 aus. Die Beschleunigungsdüse 10 ist von einer zylinderförmigen Ringdüse 21 umgeben, in welche ein brennbares Zündmittel, zum Beispiel ein Zündgas, durch die Leitung 22 eingeführt wird. Am Austritt 36 der Ringdüse 21 bildet sich die Zündflamme 12, die den Partikelstrahl 3 ringförmig umgibt und dabei spontan in Brand setzt.

Claims

32121Π0 25. März 1982 WUTH/KHD Gr/Ju H 82/9 Patentansprüche

1. Verfahren zur Durchführung pyrometallurgischer Prozesse, insbesondere zum Reaktionsschmelzen feinkörniger Feststoffe und/oder zur Nachbehandlung von Schmelzen, bei· welchem ein exotherm reagierendes Feststoff/Gas-Gemisch als heterogene Strömung durch eine Düse gefördert und im Strahl auf eine Schmelze aufgeblasen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl unmittelbar beim Austritt aus der Düse gezündet wird, und daß mittels Einstellung hoher Partikelstromdichten in der Düse ein scharf gebündelter Partikelstrahl mit hoher Wärmestromdichte, Temperatur sowie Strahlkraft erzeugt wird, mit dem die Schmelze in intensive Bewegung versetzt und erhitzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Partikelstromdichte an der engsten Stelle der Düse

-2 -1
wenigstens 100 kg · m · s beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmestromdichte bezogen auf den Querschnitt des Strahles an der heißesten Stelle nach Maßgabe der Reaktions-Komponenten eine Größenordnung von

0,1 GJ ♦ m"² . s"¹ hat.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch dessen Anwendung auf das Reaktionsschmelzen sulfidischer NE-Metallkonzentrate, gegebenenfalls zusammen mit Zuschlagen sowie mit Sauerstoff oder Sauerstoff/Luft-Gemischen als Reaktionsgas.

L"2 J" ' ·· "■· WUTH/KHD

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5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch dessen Anwendung auf das Reaktionsschmelzen oxidischer beziehungsweise komplexer oxidisch-sulfidischer Metallkonzentrate und/oder -erze und/oder -zwischenprodukte in Mischung mit Kohle, sulfidischen oder nichtsulfidischen Zuschlagen sowie mit Luft, Luft/Sauerstoff-Gemisch oder Sauerstoff als Reaktionsgas.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch dessen Anwendung auf das Reduzieren und/oder Armmachen von NE-metallhaltigen Schlackenschmelzen mit feinkörniger Kohle sowie mit Luft, Luft/Sauerstoff-Gemisch oder Sauerstoff als Reaktionsgas.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch dessen Anwendung auf das Reduzieren von Metallschmelzen mit feinkörniger Kohle sowie mit Luft, Luft/Sauerstoff-Gemisch oder Sauerstoff als Reaktionsgas.

8. Vorrichtung zur Durchführung metallurgischer Prozesse, insbesondere zum Reaktionsschmelzen feinkörniger oxidischer beziehungsweise komplexer oxidisch-sulfidischer Feststoffe beziehungsweise zum Reduzieren und/oder Armmachen von NE-metallhaltigen Schlackenschmelzen, sowie zum Reduzieren von Metallschmelzen, umfassend einen Ofen mit Abgassystem und mindestens eine über der Schmelze befindliche Anordnung zur Erzeugung eines heterogenen Partikelstrahles, gekennzeichnet durch eine in annähernd vertikaler Anordnung befindliche Lanze (2) mit Zündflamme (12) und Zweiphasen-Beschleunigungsdüse (10) sowie mit Gas/Feststoff-Misch- und Versorgungseinrichtungen (4 - 8).

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9. Verfahren zur Durchführung pyrometallurgischer Prozesse, insbesondere mit feinkörnigem Feststoff, enthaltend sulfidische und/oder oxidische Erze, Konzentrate und dergleichen und gegebenenfalls Kohle, mittels sauerstoffhaltigem Reaktionsgas, zur Erzeugung und/oder Nachbehandlung einer Schmelze, dadurch gekennzeichnet, daß Gas und Feststoff in stöchimetrischen Anteilen unter Überdruck zu einer Suspension gemischt, und diese mittels einer Beschleunigungsdüse als gebündelter Partikelstrahl von hoher Partikelstromdichte annähernd senkrecht auf die Schmelze aufgeblasen, und unmittelbar bei Austritt aus der Beschleunigungsdüse gezündet wird, und daß die Schmelze eine solche Tiefe und der Partikelstrahl eine solche Kraft aufweisen, daß im Auftreffbereich des Partikelstrahles auf der Schmelze ein konvektives Reaktionssystem mit einer intensiven örtlichen Badbewegung erzeugt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Feststoff nach Maßgabe seiner Gehalte an verschlackbaren und/oder verflüchtigbaren und/oder oxidierbaren Komponenten Zusätze von Schlackenbildnern und/oder Flußmittel sowie gegebenenfalls Schwefel und/oder feinkörnige Kohle zugesetzt werden, und daß das Reaktionsgas wenigstens 50 % Sauerstoff in einer Menge zwischen 350 und 500 kg je 1000 kg Feststoff enthält.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Austrittsstelle des Partikelstrahles und der Oberflache der Schmelze zwischen annähernd 0,5 und 3 m, vorzugsweise weniger als 2 m beträgt, und daß sich die Geschwindigkeit des halbkompressiblen Partikelstrahles an der Düsenmündung entsprechend der jeweiligen Schallgeschwindigkeit ausbildet, und daß die Tiefe der Schmelze wenigstens dem halben Durchmesser des Auftreffbereiches "A" vom Partikelstrahl entspricht.

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12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daQ zur Zündung des Partikelstrahles eine Zündflamme an der Düsenmündung vorgesehen ist, und daß der Partikelstrahl im Bereich der Düsenmündung vorzugsweise von der Zündflamme umgeben ist.

13. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Partikelstrahl so stark gebündelt wird, daß sein Ausbreitungswinkel maximal 16° beträgt, und daß sein Durchmesser an der engsten Stelle zwischen 2 und 20rnm beträgt.

14. Vorrichtung zur Durchführung pyrometallurgischer Prozesse, insbesondere mit feinkörnigem Feststoff, enthaltend sulfidische und/oder oxidische Erze, Konzentrate und dergleichen und gegebenenfalls Kohle, mit sauerstoffhaltigem Reaktionsgas, zur Erzeugung und/oder Nachbehandlung einer Schmelze, umfassend eine Mischeinrichtung zum Herstellen der Gas/Feststoff-Suspension mit Mitteln zum dosierenden Eintragen des Feststoffes in eine Mischkammer, sowie Mittel zum Einleiten von sauerstoffhaltigem Gas in diese Mischkammer, und eine der Mischkammer nachgeschaltete Entspannungs- und Beschleunigungsdüse, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsdüse (10) im Bereich ihrer Austrittsöffnung (35) eine Zündeinrichtung (12, 21, 36) aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündeinrichtung (12) eine die Beschleunigungsdüse (10) ringförmig umgebende Brennerdüse (12) ist, die mit Mitteln (22) zum Zuführen eines Brennstoff/Zündgemisches ausgestattet ist.