Vorrichtung für die pyrometallurgische Behandlung feinkörniger, schmelzflüssige Produkte ergebender Feststoffe

Abstract

 Beschrieben wird eine Vorrichtung für die pyrometallurgische Behandlung von in sauerstoffreichen Gasen suspendierten feinkörnigen Feststoffen, mit horizontal angeordnetem zylindrischem Gefäss und damit verbundenem, vertikal in das Gefäss einmündendem Brennschacht, sowie mit Gasabzugsöffnung und Austragsöffnung für Schmelzen. Eine praktisch nahezu vollständige Abscheidung der Schmelzpartikel wird dadurch erreicht, dass die tangentiale Einmündung des Brennschachts als kanalartige, mit der Zylinderwand in einen Austragsschlitz einmündende Teilspirale ausgebildet ist und der Austragsschlitz im unteren Mantelbereich des im wesentlichen zylindrischen Gefässes im wesentlichen parallel zu dessen Längsachse angeordnet ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die pyrometallurgische Behandlung von feinkörnigen, bei Behandlungstemperaturen schmelzflüssige Produkte ergebenden Feststoffen.

[0002] Aus DE-PS 22 53 074 (= US-PS 3 915 692) ist ein Verfahren zur pyrometallurgischen Behandlung von feinkörnigen, bei Behandlungstemperaturen schmelzflüssige Produkte ergebenden Feststoffen bekannt, bei dem die in sauerstoffreichen Gasen suspendierten Feststoffe mit hoher und eine Rückzündung ausschließender Geschwindigkeit in einer vertikalen Brennstrecke zur Reaktion gebracht werden. Die gebildete, überwiegend schmelzflüssige Partikel enthaltende Suspension wird in eine horizontal angeordnete Zyklonkammer eingetragen. Bei der vorbekannten Anordnung tritt heißes Gas mit Schmelztropfen aus der vertikalen zylindrischen Brennstrecke direkt tangential an einem Ende der liegenden zylindrischen Zyklonkammer in diese ein und am entgegengesetzten Ende zentrisch durch einen Kragen in eine nachgeschaltete Sekundärkammer aus. Die abgeschiedene Schmelze fließt am Austrittsende der Gasströmung durch einen hohen schmalen Schlitz, der unterhalb des Kragens in der senkrechten Mittelebene der Stirnfläche eingelassen ist, zur Sekundärkammer.

[0003] Die in einem aus DE-AS 20 10 872 (= CA-PS 926 631) vorbekannten ähnlichen Verfahren verwendete Schmelzzyklonkammer hat eine annähernd horizontale Achse, die gegenüber der Horizontalen um maximal etwa 30° abwärts geneigt ist. Feststoff und vorgewärmtes Gas werden ohne eigene Brennstrecke, jedoch von oben längs einer Sekante in die zylindrische Zyklonkammer eingeblasen. Der Eintrag erfolgt nahezu über die ganze Länge des Zyklons. Das Gas strömt durch einen zentrisch in der Stirnfläche eingelassenen Kragen zu einer Sekundärkammer. Die Schmelze fließt unter dem Kragen duch ein Loch an der tiefsten Stelle der Stirnwand ebenfalls in die Sekundärkammer.

[0004] Die in den vorbekannten Verfahren verwendeten Zyklonkammern führen in vielen Fällen in Abhängigkeit von der Art der zu behandelnden Feststoffe zu Störungen des Betriebsablaufs. Bei höheren Durchsatzmengen kommt es zu starker Ansatzbildung in den Gasaustrittsöffnungen, da die Schmelzabscheidung innerhalb der Zyklonkammer nicht mehr genügt.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung, insbesondere Zyklonkammer, zur pyrometallurgischen Behandlung von feinkörnigen Feststoffen bereitzustellen, welche die Nachteile bekannter Vorrichtungen und insbesondere die vorgenannten Nachteile vermeidet.

[0006] Die Erfindung löst die Aufgabe mit einer Vorrichtung für die pyrometallurgische Behandlung von in sauerstoffreichen Gasen suspendierten feinkörnigen Feststoffen, mit horizontal angeordnetem zylindrischem Gefäß und damit verbundenem, vertikal in das Gefäß einmündendem Brennschacht, sowie mit Gasabzugsöffnung und Austragsöffnung für Schmelzen. Eine Vorrichtung der genannten Art wird gemäß der Erfindung in der Weise ausgestaltet, daß die tangentiale Einmündung des Brennschachts als kanalartige, mit der Zylinderwand in einen Austragsschlitz einmündende Teilspirale ausgebildet ist und der Austragsschlitz im unteren Mantelbereich des im wesentlichen zylindrischen Gefäßes im wesentlichen parallel zu dessen Längsachse angeordnet ist.

[0007] Mit der erfindungsgemäßen Vorrrichtung wird eine praktisch vollständige Abscheidung der pyrometallurgisch behandelten Partikel aus der Gasphase (Gasstrom), insbesondere bei hohen Beladungen des Gasstromes von z.B. /u = 7 kg Schmelzpartikel pro kg Gas erzielt.

[0008] Die Maßnahmen der Erfindung beruhen auf der Erkenntnis, daß bei hoher Feststoffbeladung (Schmelzpartikel) des aus dem Brennschacht austretenden Gasstromes die Schmelzpartikel nahezu vollständig und schon in der ersten Krümmung des Einlaufbogens an die Behälterwand geschleudert werden, wo sofort ein geschlossener und schnell strömender Film an der steilen Zylinderwand entsteht.

[0009] Die hohe Fließgeschwindigkeit des Films fällt aber auf einen Bruchteil zurück, wenn das Gefälle im unteren Bereich der Zyklonwand geringer wird. Das heißt, in einem solchen unerwünschten Fall wird der Schmelzfilm in herkömmlichen Zyklonen wellenartig aufgestaut, während ein Teil des Gasstromes an den Wellen bzw. an dem Schwall wie an einer Schikane in direkter Richtung des Gasaustritts abgelenkt wird. Der über den Schwall nach oben abgelenkte Teil der Strömung reißt dann in nachteiliger Weise viele große Tropfen aus der Flüssigkeitswelle, die aufgrund des Staudrucks der austretenden Gasströmung erheblich pulsiert und brodelt. Die losgerissenen Tropfen fliegen langsam und fast senkrecht nach oben in den sehr unruhig drehenden und pendelnden Wirbelkern der Zyklonströmung, wo sie zunehmend axial in Richtung des Gasauslasses taumeln. Schneller werdende und kreisende Tropfen werden gerade noch abgeschieden, ein Teil backt im Gasaustritt an der Innenwand an und ein Teil wird mit der Strömung durch den Gasaustritt mitgerissen (Fig. 1 und 2).

[0010] Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird nun in vorteilhafter Weise erreicht, daß in der tangentialen Einlaufspirale (14) praktisch im ersten Spiralabschnitt bzw. -bogen die schmelzflüssigen Partikel aus dem Gasstrom und an der Spiralwandung als Film (4) abgeschieden und nahezu vollständig in den Austragsschlitz bzw. schlitzartigen Austragskanal (16) überführt werden. Durch den Austragsschlitz läuft die Schmelze als Strahl in einen Schmelzsammelbehälter (19) (Fig. 3). Vom Sammelbehälter gelangt die Schmelze gegebenenfalls in einen Vorherd, wo gegebenenfalls die Trennung des Schmelzgemisches in die Komponenten erfolgt. Ein geringer Teil der Gasströmung kann bei entsprechender Anordnung - z.B. Abgasöffnung (20) im Schmelzsammelbehälter (19) - durch den Austragsschlitz (16) über den Schmelzsammelbehälter entweichen.

[0011] Die Wände der Zyklonkammer sind in an sich bekannter Weise als dampfgekühlte, bestiftete und mit Feuerfestmaterial ausgekleidete Rohrwände (17) ausgeführt, wobei durch eine dünne Schicht erstarrter Schmelzprodukte ein sicherer Wandschutz erzielt wird.

[0012] Im unteren Bereich der Zyklonkammer verläuft die Wandfläche (15) der Einlaufspirale (14) eben, läuft tangential aus und bildet die untere Fläche des Austragsschlitzes (16). Diese ebene Fläche hat eine abwärts gerichtete Neigung von etwa 20 bis 45° gegen die Horizontale. Die andere (obere), den Austragsschlitz begrenzende Fläche setzt an einem Punkt der Wandung an, der auf der Fortsetzung der ursprünglichen, aber durch den Austragsschlitz unterbrochenen Wandungsspirale liegt.

[0013] Der Austragsschlitz ist im allgemeinen mit parallel verlaufenden Wandungen ausgerüstet. Zweckmäßig verläuft jedoch mindestens eine Wandung in Richtung des Schmelzsammelbehälters divergierend.

[0014] Der Brennschacht besitzt im allgemeinen kreisfömigen Querschnitt. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Querschnitt der tangentialen Einmündung des Brennschachtes in die Zyklonkammer zweckmäßig elliptisch gestaltet. In vielen Fällen ist ein rechteckiger Querschnitt vorteilhaft. Vom Eintrittsquerschnitt ab erweitert sich die Einlaufspirale stetig und erreicht etwa die Länge des Austragsschlitzes. Die Länge des Austragsschlitzes (in Richtung Zyklonachse) beträgt das etwa bis zu 3-fache der Breite des Einlaufs der Spirale.

[0015] Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung befindet sich in der Auskleidung des Zyklonmantels an der tiefsten Stelle und beginnend im Bereich der Gasaustrittsöffnung eine Rinne. Diese Rinne (Fig. 3a; 18) verläuft mit zunehmender Tiefe zum Austragsschlitz und ist eine Art Rücklauf für den Schmelzfilm, der von den restlichen, noch aus dem Haupgasstrom abgeschiedenen Schmelzpartikeln stammt. Die Rücklaufrinne beginnt mit zunehmender Tiefe in einem Abstand von etwa 1/3 bis 2/3 des Durchmesserwertes der Gasaustrittsöffnung und endet an dem Austragsschlitz. Das Rinnenende hat eine Breite "B" von etwa 1/4 bis 1/2 des Durchmesserwertes der Gasaustrittsöffnung. Dabei entspricht die Tiefe "T" der Rücklaufrinne etwa der Breite "B". Mit dieser Anordnung wird eine sichere Abscheidung der letzten Anteile schmelzflüssiger Partikel aus dem Gasstrom und eine völlige Rückführung der abgeschiedenen Schmelzbestandteile durch die Rinne in den Austragsschlitz gewährleistet.

[0016] Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ein Teil des liegend angeordneten zylindrischen Zyklons nach oben abgewinkelt; das heißt, ein zylindrisches Teilstück des Zyklons kann als ganzes nach oben abgewinkelt werden oder aber es kann auch nur die untere Mantelhälfte nach oben abgewinkelt werden, so daß ein Zyklonabschnitt in Form eines asymmetrischen Konus vorliegt. Die Abwinkelung (al)der Längsachse nach oben beträgt etwa 15 bis 30°, und die Länge des abgewinkelten Zyklonabschnitts entspricht etwa der Länge der im unteren Zyklonmantel angebrachten Rücklaufrinne. Schließlich kann der gesamte Zyklonmantel im Bereich der abgewinkelten Längsachse konisch zum Gasaustritt hin gestaltet sein.

[0017] In der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann eine Vielzahl von Feststoffen pyrometallurgisch behandelt werden. Besonders eignen sich NE-Metallerzkonzentrate und sulfidische Erze. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich aber ebenfalls für die Behandlung oxidischer, gegebenenfalls vorreduzierter Eisenerze oder Eisenerzkonzentrate sowie auch für die Behandlung metallurgischer Zwischenprodukte.

[0018] Der Vorteil der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist darin zu sehen, daß eine Vielzahl von Feststoffen bei hoher Gasbelastungsdichte eingesetzt und pyrometallurgisch behandelt werden kann und eine praktisch vollständige und über 95 % liegende Abscheidung der Schmelzpartikel im Zyklon gelingt. Bei hoher Durchsatzleistung besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung praktisch keine Störanfälligkeit.

[0019] Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und der Beispiele näher erläutert.

[0020] Es veranschaulichen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine liegende Zyklonkammer herkömmlicher Bauart.

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Zyklonkammer der Fig. 1 entlang der Schnittlinie A-A'-A".

Fig. 3 einen Schnitt durch eine Zyklonkammer gemäß Erfindung mit nachgeschaltetem Schmelzenbehälter.

Fig. 3a einen Schnitt gemäß Fig. 3, jedoch mit Rücklaufrinne und Öffnungen zur Sekundärkammer.

Fig. 4 einen Längsschnitt durch die Zyklonkammer der Fig. 3 bzw. 3a entlang der Schnittlinie B-C-D.

Fig. 4a einen Schnitt gemäß Fig. 4, jedoch mit Rücklaufrinne.

Fig. 5 einen Schnitt durch eine Zyklonkammer mit abgewinkelter Längsachse, in Richtung Gasaustritt gesehen.

Fig. 6 einen Längsschnitt durch die Zyklonkammer der Fig. 5 entlang der Schnittlinie E-F-G-H.

Fig. 7 einen Längsschnitt durch die Zyklonkammer der Fig. 5 entlang der Schnittlinie I-K.

Fig. 8 einen Schnitt durch einen Brennschacht mit Einmündung in den Zyklon gemäß Erfindung.

[0021] In den Figuren 1 und 2 eines Zyklons herkömmlicher Bauart ist im einzelnen dargestellt: Der Brennschacht 1 mit Eintrittsquerschnitt 2, Abscheidung der im Heißgas mitfliegenden Tröpfchen 3, Wandfilm 4, Schmelzenschwall 5, aus dem Schwall herausgerissene große Tropfen 6, axial abgedrängte Teilströmung 7, radial umgelenkte Hauptströmung 8, Gasauslaß oder Kragen 9, Wandansatz 10, Sekundärkammer 11, Kesselrohrwand 12 und zentra- ler Schmelzauslaß 13.

[0022] In Fig. 3 und 3a bedeuten:

1 Brennschacht, 2 Eintrittsquerschnitt, 9 Gasaustritt, 14 Halbspirale, 4 schneller Schmelzfilm auf der Wand, 15 die schräge, zum Austragsschlitz 16 führende Ebene, 17 Kesselrohrwand des Zyklons, 18 die Rücklaufrinne, 19 den Schmelzsammelbehälter mit Öffnungen 20 und anschließenden Kanälen zur Sekundärkammer.

[0023] In Fig. 4 und 4a zeigen:

22 die Kontur des in seiner Breite laufend veränderten Spiralkanals in der Draufsicht, 18 die Rücklaufrinne, ebenfalls in der Draufsicht, 2 den Eintrittsquerschnitt des Brennschachts, 9 den Gasaustritt, 17 die Kesselrohrwand des Zyklons.

[0024] In Fig-. 5 bedeuten:

6 Austragsschlitz, 15 der zum Austragsschlitz 6 führende ebene Wandteil, 21 die Gasaustrittsöffnung am Ende der asymmetrisch konisch verengten Zyklonkammer, 19 Schmelzbehälter mit Öffnungen 20 für Gasaustritt, 18 Rücklaufrinne.

[0025] In Fig. 6 bedeuten:

21 die Gasaustrittsöffnung am Endes des konischen Zyklongehäuses und 22 die Konturen des beidseitig verbreiterten Spiralkanals, von der Einmündung 2 des Brennschachts verlaufend, 17 Kesselrohrwand, 18 Rücklaufrinne.

[0026] In Fig. 7 bedeuten:

22 die abgewinkelte ( )Zyklonachse, 23 den asymmetrisch konisch zulaufenden Teil der Zyklonkammer, 20 Gasauslaß des Schmelzenbehälters, 21 Gasauslaß für den Hauptgasstrom, 18 Rücklaufrinne.

[0027] In Fig. 8

ist ein Schnitt durch einen Brennschacht 1 mit Eintrittsquerschnitt 2 sowie Brennern dargestellt. Der Brennschacht mündet in den Zyklon gemäß Erfindung. Mit 16 ist der Austragsschlitz bezeichnet, aus dem die Schmelze 4 auf der Wandung der Halbspirale 14 austritt. 17 bezeichnet die Kesselrohrwand des Zyklons und 9 den Gasaustritt.

[0028] In dem nachstehenden Beispiel wird die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand der Verarbeitung feinkörniger, bei pyrometallurgischer Behandlungstemperatur schmelzflüssige Produkte ergebendender Feststoffe näher und beispielhaft erläutert.

Beispiel

[0029] 7.000 kg/h eines komplexen Kupferkonzentrates nachstehender Analyse werden aus vorgeschalteten Bunker-, Trocknungs-, Zuteiler- und Mischanlagen mit 390 m³ Primärluft als Trägergas über eine Förder-Rohrleitung dem Brenner (Fig. 8) zugeführt. Das Konzentrat mit einer Zusammensetzung von

einer Korngröße zwischen 0,5 und 100 _/um und einem Anteil von 53 % im Bereich zwischen 15 und 100 _/um besitzt eine Restfeuchte von 0,1 bis 0,3 %. Als Schlackenbildner wird Si0₂ in Form von Sand in einer Menge von 1,3 t/h dem Konzentrat-Luftstrom vor Eintritt in den Brenner zugeführt, um das sich bildende Eisenoxid in einer Schlacke abzubinden. Hierzu wird Sand mit einer Restfeuchte von 0,1 % und einer Korngröße bis 0,7 mm verwendet. Der Primär-Fluidstrom, bestehend aus 7.000 kg/h Konzentrat, 1.300 kg/h Sand und 380 m³/h Förderluft, wird mit Sekundärstromgemisch aus 600 m³/h Luft und 1.800 m³/h Sauerstoff zusammengeführt. Der homogenisierte und wirbelfreie Fluidstrahl wird nach dem Eintritt in die vertikale Brennerstrecke gezündet (deutsche Patentanmeldung P 34 36 624).

[0030] Bei fortschreitender Reaktion steigt die Temperatur schnell an und erreicht am Ende des zylindrischen Teils der Brennerstrecke (1) die maximale Temperatur von ca. 1.640 °C (Fig. 8). Der mit Schmelzpartikeln beladene Gasstrom wird durch die tangentiale Einlaufspirale (14) in den Zyklon eingeführt (Fig.

[0031] 3). Die schmelzflüssigen Partikel werden praktisch im ersten Spiralabschnitt aus dem Gasstrom an der Spiralwandung (4) abgeschieden und nahezu vollständig in den Austragsschlitz (16) überführt. Durch den Austragsschlitz (16) läuft die Schmelze als Strahl in einen Schmelzensammelbehälter (19). Die Wände der Zyklonkammer sind in an sich bekannter Weise als dampfgekühlte, bestiftete und mit Feuerfestmaterial ausgekleidete Rohrwände ausgeführt, wobei durch eine dünne Schicht erstarrter Schmelzprodukte ein sicherer Wandschutz erzielt wird.

[0032] Im vorliegenden Beispiel verläuft der Prozeß autogen. In Fällen der Verarbeitung von weniger Reaktionswärme liefernden Mischungen wird zusätzlich Brennstoff in gasförmiger, flüssiger bzw. fester Form zugeführt.

[0033] Aus der-über die gekühlten Wandungen der Reaktoranlage abgeführten Reaktionswärme ergibt sich eine Dampfproduktion von ca. 1 t Dampf (60 bar) je t Konzentrat.

[0034] Die aus dem Zyklongefäß abgeführten Produkte sind:

Kupferstein der Zusammensetzung

Schlacke mit Gehalten von

[0035] Kupferstein und Schlacke werden zusammen bei einer Schmelztemperatur von ca. 1.320 °C durch den Schlitzaustrag des liegenden Zyklongefäßes abgeführt.

[0036] Das in axialer Richtung aus dem Zyklongefäß austretende Abgas (Fig. 3; 9) hat eine Temperatur von 1.320 °C und enthält ca. 56 Vol.-% 5⁰₂.

[0037] Mit dem Abgas wird oxidisch-sulfatischer Flugstaub folgender Zusammensetzung mitgeführt:

[0038] Dieser Flugstaub wird in den der Zyklonanlage nachgeschalteten Abhitzekessel- und Gasreinigungsanlagen abgeschieden.

[0039] Die gegenüber Zyklonen herkömmlicher Bauart ohne Schlitzaustrag überlegene Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Zyklons geht aus folgendem Vergleich metallurgischer Daten hervor (Arbeitsweise wie vorbeschrieben).

Ansprüche

1. Vorrichtung für die pyrometallurgische Behandlung von in sauerstoffreichen Gasen suspendierten feinkörnigen Feststoffen, mit horizontal angeordnetem zylindrischem Gefäß und damit verbundenem, vertikal in das Gefäß einmündendem Brennschacht, sowie mit Gasabzugsöffnung und Austragsöffnung für Schmelzen, dadurch gekennzeichnet, daß die tangentiale Einmündung des Brennschachts als kanalartige, mit der Zylinderwand in einen Austragsschlitz einmündende Teilspirale ausgebildet ist und der Austragsschlitz im unteren Mantelbereich des im wesentlichen zylindrischen Gefäßes im wesentlichen parallel zu dessen Längsachse angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Schlitzfläche von der mit einer Neigung von 20 bis 40° (gegen die Horizontale) eben und tangential auslaufenden unteren Mantelfläche der Einlaufspirale gebildet ist.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Austragsschlitzes (in Zylinderlängsachse) im wesentlichen der Breite der Einlaufspirale entspricht.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittsquerschnitt der tangentialen Einmündung des Brennschachts elliptisch bis rechteckig ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Einlaufspirale stetig auf die Länge des Austragsschlitzes erweitert ist und diese Länge das etwa bis zu 3-fache der Breite des Einlaufs der Spirale beträgt.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Mantelbereich des Gefäßes eine Rücklaufrinne zur Schmelzenaufnahme aufweist, die von der Gasaustrittsöffnung mit zunehmender Tiefe zum Austragsschlitz verläuft.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücklaufrinne in einem Abstand von 1/3 bis 2/3 des Durchmessers "D" der Gasaustrittsöffnung beginnt und an dem Austragsschlitz endet, wobei das Rinnenende eine Breite "B" von D/4 bis D/2 und eine Tiefe "T" von T = B besitzt.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zyklonabschnitt im Bereich der Länge der Rücklaufrinne nach oben abgewinkelt ist, wobei die Abwinkelung der Längsachse etwa 15 bis 30° gegen die Horizontale beträgt.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die, die Rücklaufrinne aufweisende untere Mantelhälfte des Zyklons zur Gasaustrittsöffnung hin asymmetrisch konisch verläuft.

Zeichnung