JP2018502983A - 溶融原料を還元する方法およびこの方法を実施するための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は溶融原料を還元する方法に関し、固体又は溶融状態の原料はコークスベッドに配置され、このベッドは少なくとも部分的に誘導加熱され、ベッドから流出した還元溶融物は収集され排ガスは放出される。管状要素により内部が画定されたコークスベッドが使用され、管状要素が加熱され、ベッドからの反応ガスが管状要素に形成される複数の排気口から放出される。本発明は溶融原料を還元する装置にも関し、この装置はコークスベッドを受け入れる反応器、及びベッドを誘導加熱する少なくとも１つの誘導コイルを含む誘導ヒータを含み、反応器は固体及び溶融原料の供給開口部及び処理された溶融物の流出口を有し、反応器は管状要素によって内部で境界が定められたリング状断面を有するベッドを受け入れるよう設計され、管状要素は誘導コイルの誘導場との誘導結合に適した材料、特にグラファイトで作られ、ベッドから反応ガスを放出する複数の排気口を有する。

Description

本発明は、溶融原料を還元するための方法に関し、この方法において固体状態、溶融状態、または気体状態の原料は、コークス片を含むベッドに配置され、このベッドは、少なくとも部分的に誘導加熱され、コークスベッドから流出した還元された溶融物は収集され、排ガスは放出される。本発明は、この方法を実施するための装置にも関し、この装置は、コークス片のベッドを受け入れるための反応器、およびコークスベッドを誘導加熱するための、少なくとも１つの誘導コイルを含む誘導ヒータを含む。

還元される溶融原料は、特に、鉱石、粉塵、スラグ、熱分解の、ガス化の、および燃焼の残渣、溶融物、スラリー、ＥＳＵ（エレクトロスラグ再溶解）スラグ成分（例えばＣａＯ、ＣａＦ_２、Ａｌ_２Ｏ_３など）、および／または金属酸化物ガラス、並びに脱気される鉱物溶融物である。

本発明に関連して、コークス片とは、特にコークス、無煙炭、およびグラファイトなどの炭素担体を含む。本発明によれば、前記炭素担体は、有利には、黒炭、褐炭、または炭、バイオマス、非担持または担持された活性炭などの高反応性の炭素担体と混合される。

粉塵およびスラグ、特に廃棄スラグ、シュレッダー軽量断片、たとえばコーティングされたアルミニウムホイルなどの複合材料、スチールスラグ、並びに非鉄冶金および無機技術からのスラグは、多くの金属酸化物を含み、スチールスラグの場合には、大量の重金属酸化物を含む。

還元性金属浴に、特に、このような望ましくない金属酸化物、特にクロム酸化物、バナジウム酸化物、モリブデン酸化物、タングステン酸化物、コバルト酸化物、マンガン酸化物、鉛酸化物、銅酸化物および亜鉛酸化物を還元する還元剤として溶解した炭素を含有する鉄浴に、適宜液体溶融物を適用することが既に提案されており、還元された金属は金属レギュラスまたは気相に変換される。

しかしながら、そのような方法が効率的に行われる場合、溶融物の熱を利用するためには、大抵の場合元の材料を溶融物として直接使用することが必要である。

さらに、このような反応のすべてにおいて、スラグは金属浴と平衡状態にあり、平衡条件に起因して、スラグ中に残存する酸化物を分析検出限界以下の濃度に保つような方法で重金属を完全に還元することはできない。これは、特に、少なくとも１０００ｐｐｍを超える量で還元スラグ中に残るクロムおよびバナジウム酸化物に当てはまる。

金属酸化物がガラスに各々の色を与えるので、少量の重金属酸化物がこのようなガラススラグから定量的に除去されれば、ガラス、特にガラス溶融物は、無色生成物としてのみ製造され得る。

これに関連して、オーストリア特許第５０２５７７号公報は、固体粒子および／または溶融物を、少なくとも部分的に誘導加熱された、コークス片を有するベッドまたはカラムに用いること、および流出する還元および／または脱気された溶融物を回収することを既に提案している。

既に知られている金属槽と比較して、この種のコークスベッドははるかに高い還元電位を有し、溶融工程および還元工程の両方がコークスベッド中で直接、および／またはコークス片上で直接行われる。

各々の周波数は約５０〜１００ｋＨｚであり、これは、表皮効果に起因して、消費されるエネルギーがコークスベッドの外縁にのみ与えられることを意味する。誘導加熱された周辺領域から中心に向かうコークスを通る熱伝導が非常に限られているので、充填されたベッドの中央でも十分にコークスベッドを加熱するために、高出力が必要である。

１つの欠点は、コークスベッドで発生するガス成分と溶融原料との望ましくない副反応の発生である。したがって、この方法は、原料再生のために、特に重金属、リン、アルカリ（特にリチウム）、ダイオキシン、ハロゲン、毒性有機化合物、ホルモンまたは医薬品残留物で汚染された微粒子の再生のために、非常に限られた方法でのみ使用され得る。

オーストリア特許第５０２５７７号公報

したがって、本発明の目的は、上述した欠点を回避し、固体物質及び溶融物を大規模に洗浄することができ、定量的に望ましくない物質、特に多数の重金属酸化物を、特に簡単で効率的な方法で、検出限界以下の濃度まで排除することができるように、上述したような方法及び装置を改良することである。

第１の態様によれば、この問題を解決するための本発明による方法は、主として、管状要素によって内部で境界が定められたコークスベッドを使用し、管状要素を加熱し、反応ガスを管状要素に設けられた複数の排気孔を介してコークスベッドから除去することからなる。

還元剤は、溶融した原料とともに導入することができる。好ましい還元剤として、石炭塵、天然ガス、炭化水素、水素、一酸化炭素および／またはアンモニアが挙げられる。還元剤は、好ましくは、コークスベッドに吹き込まれるか、または吸引される。コークスバルクは、追加の還元剤として使用することもできる。

好ましくは、排気口は、管状要素の壁を通過し、管状要素の内側に開口する。

コークスベッドが、管状の加熱可能な要素によって内側で画定されるという事実に起因して、コークスベッドを外側からだけでなく内側からも加熱することが可能である。これにより、より平坦な温度勾配が得られ、表皮効果に関連して上述したエネルギー入力が不十分であるという欠点が回避される。

同時に、管状要素は、コークス充填物中に生成された反応ガスをより迅速に排気することを可能にする。他のすべての公知のシャフト炉の概念は、現在のところ向流または並流モードのいずれかで専ら操作されるというものであり、溶融物およびガスの流れは、反対方向にまたは平行に向けられる。本発明は、シャフト炉構造内部の溶融物の流れ方向に垂直にガスを導く、初めてのものである。管状要素は、この目的のために複数の排気口を有し、排気口は、反応ガスが生じる領域における、半径方向の直接的な反応ガスの排気を可能にし、その結果溶融した原料との望ましくない反応を回避する。反応ガスを直接排気することにより、コークスベッドの反応能力を実質的に増加させるというさらなる効果を有する。同時に、溶融物の流れは、コークスバルク内部のガス容積の減少により、スループット速度に関して大幅に最適化することができる。

さらに、反応ガスを直接除去することにより、所望の方向に化学平衡をシフトさせることが可能になり、これは反応中に相変化を起こす成分の場合に特に有利である。

管状要素がコークスベッドの形状に適合することが特に好ましい。好ましくは、管状要素は、円形または長方形の断面またはそれら両方の組み合わせを有する。さらに、管状要素は、導電性であり、ガス透過性でありおよび／または孔を備え、耐熱性の本体を有することが好ましい。

管状要素は有利な方法で誘導加熱され、コークスベッドと管状要素の加熱を同じ誘導ヒータによって行うことができる。しかしながら、誘導ヒータの誘導場に対するコークスベッド及び管状要素の様々な結合周波数に関して特別な注意が払われなければならない。

したがって、開発において好ましくは、コークスベッドおよび管状要素の誘導加熱のために提供される誘導加熱が、異なる周波数の交流で交互にまたは同時に作動されることが要求される。コークスベッドを誘導加熱するために、このプロセスではより高い周波数が必要とされる。管状要素を誘導加熱するためにはより低い周波数が必要とされる。

コークスベッドはより低い周波数に対して透明であり、高効率で管状要素を誘導場と結合させることができることが観察された。これにより、コークスベッドにおいて高出力密度で１，９００℃以上の高温を達成することが可能になる。好ましい態様において、管状要素はグラファイトで作られており、グラファイト本体は、場合によってはコークスベッドに面する側の炭素とは異なるコーティングを有する。特に、表面をシリコン処理することができ、耐摩耗性ＳｉＣ表面を作り出すことができる。

誘導ヒータの交流周波数の選択に応じて、コークス充填物中の異なる粒度部分を結合することができる。各粒子サイズは理想的な共鳴周波数を有し、大きなコークス片は小さなコークス片よりも低い周波数で結合する。コークスベッドは通常粒度分布を有するので、交流周波数の選択によりコークスベッドの所望の画分を加熱する。交流周波数を変化させることにより、様々な画分の目標とする結合を有利な方法で行うことができ、その結果コークスベッドの半径方向全範囲にわたってエネルギー入力を確実にする。

同期動作モードでは、低周波交流は、好ましくは、１つまたは複数のより高い周波数で変調される。交流動作モードでは、好ましくは２つ以上の異なる交流周波数が連続して交互に印加される。

好ましいさらなる発展形態によれば、少なくとも第１および第２の周波数で交流が使用される。第１の周波数は、好ましくは２〜１０ｋＨｚである。第２の周波数は、好ましくは５０〜２００ｋＨｚ、特に７５〜１３０ｋＨｚである。

本発明による方法は、問題ある一連の原料の処理、特に、例えばＰｂ、Ｃｄ、Ｈｇ、またはＺｎなどの重金属で汚染された問題ある微粒子の再生に適している。

本発明の根本的な問題に対処するために、上述のタイプの装置のさらなる態様によれば、本発明は、主として、反応器の管状要素によって内部で境界が定められたリング状の断面を有するコークスベッドを受け入れるように設計されている反応器からなり、管状要素は、誘導コイルの誘導場に誘導結合するのに適した材料、特にグラファイトからなり、コークスベッドから反応ガスを除去するための複数の排気口を有する。

コークスベッドと管状要素とが誘導場の異なる周波数で結合されるので、好ましいさらなる発展形態によれば、誘導ヒータの電圧源は、制御ユニットを有する少なくとも１つの周波数変換器または周波数発生器を備え、誘導ヒータを異なる周波数の交流で交互にまたは同時に動作させるように設計されている。

制御ユニットは、好ましくは少なくとも第１及び第２の周波数の交流で誘導ヒータを動作させるように特に設計することができる。第１の周波数は、好ましくは２〜１０ｋＨｚであり、第２の周波数は好ましくは５０〜２００ｋＨｚ、特に７５〜１３０ｋＨｚである。

別の好ましい実施形態によれば、反応ガスを吹き込むためのダクトがコークスベッドに開口している。

コークスベッドからの反応ガスの効果的な放出を確実にするためには、排気口が管状要素の壁を通過して管状要素の内側に配置されたまたは提供された排気ダクト内に開口することが好ましい。コークスベッド全体にわたって一貫した通気を得るためには、排気口が管状要素を横切る円周方向の配置で分布されることが好ましい。排気口は、特に、均一に分布している。さらに、排気口を、軸方向に、すなわちコークスベッドの垂直方向に分布して配置することもできる。排気口が互いに平行な複数の水平の列に配置されていると有利である。

特に好ましくは、排気口の少なくとも一部の選択的な開閉のための装置が提供される。これにより、反応ガスがそれぞれの要求に従って最適な位置で放出されるようにガス放出を調節することができる。

好ましいさらなる発展形態によれば、コークスベッドからの固体成分または液体成分が反応ガスと共に排気口を通って放出されるのを避けるために、排気口は排気ダクトの方向の斜め上方に延びる。

特に好ましくは、排気口は、第１の流れ断面を有する第１の領域と、第１の領域よりも小さい流れ断面を有する隣接する第２の領域とを有する。この構成では、排気口の第１の領域に反応ガスの層流が生成されるのに対して、断面の減少に起因して第２の領域で乱流が得られる。乱流は、場合によっては反応ガス中に引き込まれている溶融した粒子が排気口の壁と接触すること、および相互に接触することを容易にする。この場合に押し流された粒子は凝集し、結果物である粒が、排気口の壁に沿って反応室および／またはコークスベッドに逆流する。

本発明は、図面に示された例示的な実施形態を参照して、以下により詳細に説明される。図１は、本発明による反応器を示し、図２は、反応ガスを通気するための管状要素の断面の詳細図であり、図３は、管状要素内部にガスを取り込むための孔として可能な例示的な実施形態を有する。

本発明による反応器を示す。 反応ガスを通気するための管状要素の断面の詳細図である。 管状要素内部にガスを取り込むための孔として可能な例示的な実施形態である。

図１の本発明による反応器は、反応器壁２の周りに導かれる１つ以上の誘導コイル１からなる。この場合、誘導コイル１および反応器壁２は、好ましくは、丸く整合した断面を有する。さらに、好ましくは、矩形または円形断面と矩形断面との組み合わせを使用することができる。反応ガス３を放出するために、管状要素とコークス片４のバルク材が反応器壁２内に設置される。反応ガス５を放出するための管状要素の形状は、好ましくは反応器の形状と整合する。固体および／または溶融物質を誘導加熱された反応器に導入することができる。次いで、生じた反応ガスは、管状要素を介して放出され、ガス放出ダクト３の出口に向かう圧力差によって、コークス片４のバルクから反応ガス５が除去される。残った溶融物質、例えば金属溶融物および／またはスラグは、最も単純な実施形態では、流出口６を介して反応器の内部およびコークス片４のバルクから直接取り除かれる。

図２は、反応ガス５を放出するための管状要素の可能な断面を示している。管状要素の管壁８に孔７を設けて、コークス片４のバルクから反応ガス５を放出する。孔は、反応ガス５の放出のために管状要素の外側から内側に向かって上方に延びるように斜めに配置されることが好ましい。これにより、コークス片４のバルクの反応ボリュームからの管９の内側への固体または溶融物質の入り込みが最小限に抑えられる。反応ガス５を放出するための管状要素の別の実施形態は、モジュール式構造を有する。この場合、孔７と管壁８のセグメントとからなる任意の数の個々のセグメントを互いに重ね合わせて配置し、管状要素を形成して反応ガス５を放出させることができる。反応ガス５を放出するための管状要素のさらなる実施形態は、反応ガス５を放出するための管状要素のいくつかの個々のセグメントが互いに平行に導入されてコークス片４のバルクに入るようなモジュール構造を有する。好ましくは、反応ガス５を放出するための様々な管状要素は、コークス片４のバルク内部の異なる高さの孔７を有する。これにより、コークス片４のバルク内部の異なる点における異なる反応ガスを別々に放出することができるように反応器を最適化することができる。したがって、コークス片４のバルク内に、反応ガスを独立して放出することができる異なる反応領域を画定することができる。様々な反応領域の画定は、例えば、様々な温度を設定することによって、例えばノズルを通じた反応器壁２の外側からの目的用途の反応相手によって、生じ得る。別の実施形態は、管９の内側のいくつかの別個のボリュームからなる反応ガス５を放出するための管状要素の導入である。異なる反応領域のための孔により、コークス片４のバルクから管９の内側の別個のボリュームへの、画定され、かつ独立した反応ガスの放出が可能となる。

図３は、反応ガス５を放出するための管状要素の管壁８の孔７の可能な実施形態の詳細図である。孔７は、好ましくは、反応ガス５を放出するために、管状要素の外側から内側に上方に向かうように斜めに配置される。また、孔７は、寸法の異なる２つのセグメントに分割されている。外側部分に向かう孔の部分１０は、コークス片４のバルクに面している。この部分は、管９の内部に直接通じている孔の内側部分１１に比べて体積が大きい。孔の外側部分１０の体積が大きいことに起因して、コークスピース４のバルクから吸引される反応ガスの速度が減少し、未だガスの流れ中に存在する可能性のある固体または溶融粒子が、孔の外側部分１０の下方に落ちて、コークス片４のバルク内に逆流する。孔の外側部分１０と比較して、孔の内側部分１１の直径が減少することに起因して、孔の内側部分１１のガス速度がより高く、好ましくは、コークスピース４のバルクからの反応ガスが乱流混合される。孔の外側部分１０において落ちなかった固体または溶融粒子は、好ましくは、孔の内側部分１１の乱流領域においてより大きな粒子へと結合する。次いで粒子は、好ましくは、孔の内側部分１１の下方部分で分離され、そこからコークス片４のバルク内に逆流することができる。孔の外側部分１０は、好ましくは、反応ガス５を放出するための管状要素の周りで結果的に回転対称になるように設計することができ、一方で孔の内側部分１１が選択された位置に、選択された数で、孔の外側部分１０に導入される。

１ 誘電コイル
２ 反応器壁
３ 反応ガスの放出
４ 充填されたベッド
５ 反応ガスを排気するための管状要素
６ 流出口
７ 孔
８ 管壁
９ 管内側
１０ 孔の外側部分
１１ 孔の内側部分

Claims (15)

1. 固体状態または溶融状態の原料をコークス片を含むベッドに配置し、ベッドは少なくとも部分的に誘導加熱され、コークスベッドから流出する還元溶融物を収集し、排ガスが排出される、溶融状態の原料を還元する方法であって、
   管状要素によって内部が画定されたコークスベッドが使用され、管状要素が加熱され、コークスベッドからの反応ガスが、管状要素中に形成される複数の排気口を介して放出されることを特徴とする方法。
2. 管状要素が、コークスベッドの形状に適合していることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 管状要素が、円形または長方形の断面またはそれら両方の組み合わせを有することを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 管状要素が、気体透過性であるか、および／または孔が設けられた、導電性の、耐熱性の本体を有することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 管状要素が、誘導加熱されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. コークスベッドおよび管状要素の誘導加熱のために設けられた誘導ヒータが、異なる周波数の交流で交互にまたは同時に動作することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 少なくとも第１および第２の周波数の交流が使用されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 排気口が、管状要素の壁を通過し、管状要素の内側に開口することを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 還元剤が、コークスベッドに吹き込まれるかまたは吸引されることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 特に請求項１から９のいずれか一項に記載の方法を実施するための、溶融した原料を還元するための装置であって、
    装置は、コークス片のベッドを受け入れるための反応器と、コークスベッドの誘導加熱のための少なくとも１つの誘導コイルを含む誘導ヒータとを含み、反応器は、固体および溶融原料のための供給開口部および処理された溶融物のための流出口を有し、
    反応器は、反応器の管状要素によって内部で境界が定められたリング状の断面を有するコークスベッドを受け入れるように設計されており、管状要素は誘導コイルの誘導場との誘導結合に適した材料、特にグラファイトで作られ、コークスベッドから反応ガスを放出するための複数の排気口を有することを特徴とする、装置。
11. 誘導ヒータの電圧源が、制御ユニットを有する少なくとも１つの周波数変換器または周波数発生器を備え、異なる周波数の交流で誘導ヒータを交互にまたは同時に動作させるのに適していることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 制御ユニットは、少なくとも第１及び第２の周波数の交流で誘導ヒータを動作させるように設計されていることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. 排気口が、管状要素の壁を通過し、管状要素の内側に配置された、または設けられた排気ダクト内に開口していることを特徴とする、請求項１０から１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 排気口が、排気ダクトの方向に斜め上方に延びて配置されていることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. 排気口が、第１の流れ断面を有する第１の領域と、第１の領域に比べてより小さい流れ断面を有する隣接する第２の領域とを有することを特徴とする請求項１３または１４に記載の装置。

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