Verfahren zum Schmelzen von anorganischen Stoffen

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmelzen von anorganischen Stoffen, insbesondere Aschen, Schlacken, Glas und Metallen in einem drehenden liegenden Konverter oder einem Drehrohr.

Stand der Technik

[0002] In der Metallurgie sind verschiedenen Verfahren zum Schmelzen fester Stoffe bekannt. Die Energie, welche zum Schmelzen der Feststoffe benötigt wird, wird dabei entweder über eine fossile oder eine elektrische Beheizung bereitgestellt.

[0003] Fossile Beheizungen, wie beispielsweise in US 3 934 864 beschreiben, benutzen im allgemeinen Brenner, die mit flüssigen, gasförmigen oder staubförmigen Brennstoffen beschickt werden. Zur Oxidation des Brennstoffes werden neben Luft auch Sauerstoff und sauerstoffangereicherte Luft verwendet. Letzteres ist vorteilhaft, wenn Stoffe mit hoher Schmelztemperatur, beispielsweise metallurgische Schlacken, geschmolzen werden sollen. Die erreichbare Flammentemperatur liegt dabei wesentlich höher als beim Einsatz von Luft. Ausserdem ist die Abgasmenge kleiner, was zu niedrigeren Abgasverlusten und zu Brennstoffeinsparungen führt.

[0004] Der Nachteil der fossilen Brennerbeheizungen besteht darin, dass die erzeugte Wärme nur über die Oberfläche des Schmelzgutes übertragen werden kann. Die Wärmeübertragungsfläche ist dadurch limitiert. Wird das Schmelzverfahren in unbewegten Konvertern durchgeführt, sind zudem die Wärmeleitung im Bad sowie die interne Badkonvektion klein.

[0005] Diese Erkenntnisse haben zur Entwicklung von sogenannten Unterbadbrennem geführt. Bei diesen wird eine gekühlte Brennerlanze direkt in das Bad eingetaucht, und die Brennstoffe werden zusammen mit einem Oxidationsmittel in das Bad eingedüst. Nachteilig ist hierbei die aufwendige und nicht ungefährliche Kühlung dieser Brenner sowie die begrenzte erreichbare Eindringtiefe. Es kommen nur gasförmige und flüssige Brennstoffe in Frage.

[0006] Aus WO-A-87/03913 und SU-A-1298256 sind Stahlerzeugungsverfahren bekannt, bei denen Schrott in einem Sauerstoffkonverter geschmolzen wird, wobei der auf das Metall aufgebrachte Sauerstoffanteil bzw. der Abstand der Sauerstofflanzen vom Bad im Verlaufe des Verfahrens verändert werden. Dadurch soll die Schmelzzeit reduziert bzw. die Ausbeute an flüssigem Metall erhöht werden.

[0007] Bei den elektrischen Schmelzverfahren (Widerstands-, Induktions-, Lichtbogenund Plasmaheizungen) sind dagegen vorteilhaft hohe Temperaturen erreichbar, und die Abgasverluste fallen weg. Nachteilig sind jedoch die hohen Energie- und Anlagekosten.

Darstellung der Erfindung

[0008] Die Erfindung versucht, diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Schmelzen von anorganischen Stoffen vorzuschlagen, das den Einsatz von kostengünstigen Brennstoffen erlaubt und mit dem trotzdem die erforderlichen hohen Temperaturen erreicht werden.

[0009] Erfindungsgemäss wird dies bei einem Verfahren gemäss Anspruch 1 erreicht, wobei fester Brennstoff in stückiger Form zugegeben wird, und der Sauerstoff oder das sauerstoffangereicherte Gas mit einer Geschwindigkeit, welche mindestens so groß ist wie die Schallgeschwindigkeit, auf die Badoberfläche aufgedüst wird, mit dem festen Brennstoff reagiert und dabei Wärme freigesetzt wird.

[0010] Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass zum Aufschmelzen der anorganischen Stoffe kostengünstige Brennstoffe eingesetzt werden können. Ausserdem wird durch die Sauerstoffbeaufschlagung des Bades mit einer Geschwindigkeit, welche mindestens so groß ist wie die Schallgeschwindigkeit, eine intensive Rührwirkung an der Badoberfläche erzeugt. Durch den Einsatz eines sich drehenden Konverters oder eines Drehrohrofens wird sichergestellt, dass sich das aufzuheizende Gut stets bewegt und vermischt. Ungeschmolzenes Material schwimmt dabei infolge kleinerer Dichte vorzugsweise an der Oberfläche und kommt dort intensiv mit den heissen oxidierenden Brennstoffen und Verbrennungsgasen in Kontakt.

[0011] Dadurch, daß die Geschwindigkeit, mit der der Sauerstoff oder das sauerstoffangereicherte Gas auf die Badoberfläche aufgedüst wird, mindestens so gross ist wie die Schallgeschwindigkeit, ist eine intensive Rührwirkung und daraus resultierende gute Vermischung der reagierenden Stoffe sichergestellt.

[0012] Es ist von Vorteil, wenn als Brennstoff Kohle oder kohlenstoffhaltiger Brennstoff eingesetzt und die Kohle bzw. der kohlenstoffhaltige Brennstoff und der Sauerstoff kontinuierlich zugeführt werden, da damit der Redoxzustand in der Gasphase und auch der Redoxzustand im Bad über das Verhältnis von Kohle zu Sauerstoff beliebig eingestellt werden kann. Insbesondere können mit Stöchiometrie-Verhältnissen von Kohlenstoff zu Sauerstoff von grösser 1 reduzierende Bedingungen eingestellt werden, um Schwermetalle im Bad in ihre metallische Form zu reduzieren und abzudampfen.

[0013] Weiterhin ist es zweckmässig, wenn als Brennstoff trockene oder vorgetrocknete Abfälle eingesetzt werden. Dies ist eine besonders preiswerte Variante.

[0014] Es ist von Vorteil, wenn der Ofen so betrieben wird, dass beim Anfahren ein Bad aus geschmolzenem Material vorgelegt wird, welches entweder durch den Einsatz üblicher Brenner, die mit flüssigen, gasförmigen oder staubförmigen Brennstoffen betrieben werden, erzeugt wird oder durch Beschickung aus einem weiteren Schmelzofen eingebracht wird. Erst danach werden stückiger Brennstoff und das zu schmelzende Material dem Konverter zugeführt und mit Sauerstoff beaufschlagt, wobei der Sauerstoff mit dem festen Brennstoff reagiert und Wärme freisetzt, die zum Schmelzen des eingesetzten Materials führt. Dadurch, dass bereits beim Anfahren des Ofens ein flüssiges Bad aus geschmolzenem Material vorliegt wird erreicht, dass sich erstens der stückige Brennstoff von Beginn weg an der Oberfläche der Schmelze befindet und zweitens keine weiteren Vorkehrungen bezüglich dem Zünden des anschliessend eingesetzten stückigen Brennstoffes getroffen werden müssen.

[0015] Sollen Metalle nach dem erfindungsgemässen Verfahren aufgeschmolzen werden, dann ist es vorteilhaft, wenn der Konverter mit zwei Phasen, einer Metallphase und einer sich darauf befindenden Schlackenphase beschickt wird, wobei der eingedüste Sauerstoff mit dem Brennstoff auf oder in der Schlackenphase zur Reaktion gebracht wird. Dadurch wird verhindert, dass der eingedüste Sauerstoff mit dem geschmolzenen bzw. noch ungeschmolzenen Metall direkt in Kontakt kommt. Der Sauerstoff reagiert nur mit dem Brennstoff auf der Schlackenphase. Dabei wird die Wärme freigesetzt, welche zum Aufschmelzen des noch festen Metalles notwendig ist

[0016] Weiterhin ist es von Vorteil, wenn Rostasche aus der Müllverbrennung durch direkte Verbrennung von trockenen, vorgetrockneten, pyrolisierten oder vergasten Abfällen oder Reststoffen eingeschmolzen wird, wobei gemeinsam mit der Rostasche auch Kessel- und/oder Filterasche aus der Müllverbrennung eingeschmolzen werden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0017] In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1

eine schematische Darstellung eines drehenden liegenden Konverters zum Aufschmelzen von Rostasche aus der Müllverbrennung;

Fig. 2

eine schematische Darstellung eines drehenden liegenden Konverters zum Aufschmelzen von Metall.

[0018] Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.

Weg zur Ausführung der Erfindung

[0019] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Fig. 1 und 2 näher erläutert.

[0020] Fig. 1 zeigt in vereinfachter Darstellung einen Konverter 1, der in einem Tragrahmen 2 auf motorgetriebenen Tragrollen 3 angeordnet ist. Der Konverter 1 hat die Form einer liegenden zylindrischen Trommel und ist auf seinen beiden Stirnseiten offen, wobei sich der Innendurchmesser auf den beiden Stirnseiten so verengt, dass der Füllungsgrad ca. 20 % des Innenvolumens beträgt. Mittels der Tragrollen 3 kann der Konverter 1 um seine Achse 4 gedreht werden. Wie durch die Pfeile im oberen Teil der Fig. 1 angedeutet, ist der Konverter 1 zum Zwecke der Entleerung schwenkbar. Im Inneren des Konverters befindet sich das geschmolzene Bad 5 der anorganischen Substanzen. Der Konverter 1 wird über eine Chargier-Rutsche 6 mit den zu schmelzenden vorwiegend anorganischen Substanzen 7, im vorliegenden Ausführungsbeispiel Rostasche aus der Müllverbrennung, und dem Brennstoff 8 beschickt. Über eine wassergekühlte Sauerstofflanze 9 wird Sauerstoff bzw. sauerstoffangereichertes Gas 10 unter einem bestimmten Winkel auf die Oberfläche des Bades 5 eingedüst. Die Beschickung erfolgt von der einen Ofenseite her, die Entleerung erfolgt über die Öffnung auf der entgegengesetzten Konverterseite.

[0021] Der Konverter 1 wird vorteilhaft so betrieben, dass beim Anfahren erstmals ein Bad 5 aus geschmolzenem Material erzeugt wird. Dies geschieht zunächst nach dem bekannten Stand der Technik, indem übliche Brenner eingesetzt werden, welche beispielsweise mit gasförmigem, z. B. Erdgas, oder mit flüssigem Brennstoff, z.B. Öl, betrieben werden. Eine andere Möglichkeit ist die direkte Beschikkung des Konverters 1 mit geschmolzenem Material aus einem anderen Schmelzofen. Danach werden über die Chargier-Rutsche 6 stückiger Brennstoff, vorzugsweise Kohle, kohlenstoffhaltiger Brennstoff oder trockene bzw. vorgetrocknete Abfälle, sowie das zu schmelzende Material aus anorganischen Stoffen 7 zugegeben. Über die Sauerstofflanze 9 wird Sauerstoff bzw. sauerstoffangereichertes Gas 10 mit einer Geschwindigkeit, welche mindestens so groß ist wie die Schallgeschwindigkeit, eingedüst, so dass der Sauerstoff 10 teilweise in das Bad 5 eindringt, mit dem festen Brennstoff 8 reagiert und Wärme freisetzt, die zum Schmelzen des eingesetzten Material 7 führt. Das stöchiometrische Verhältnis von Kohlenstoff C zu Sauerstoff O₂ kann nach Belieben eingestellt werden. Mit Verhältnissen grösser 1 werden reduzierende Bedingungen eingestellt, so dass die Schwermetalle im Bad in ihre metallische Form reduziert und abgedampft werden.

[0022] Um eine intensive Rührwirkung und Durchmischung an der Badoberfläche zu erzielen, muss die Geschwindigkeit, mit welcher die Sauerstoffbeaufschlagung des Bades 5 erfolgt, mindestens so gross sein wie die Schallgeschwindigkeit V_s. Durch den Einsatz eines drehenden Konverters wird sichergestellt, dass sich das aufzuheizende Gut stets bewegt und vermischt. Ungeschmolzenes Material schwimmt dabei infolge kleinerer Dichte an der Oberfläche und kommt dort intensiv mit der heissen oxidierenden Kohle bzw. dem kohlenstoffhaltigen Brennstoff und den Verbrennungsgasen in Kontakt.

[0023] Die Beschickung des Konverters 1 kann sowohl kontinuierlich, als auch chargenweise erfolgen. Vorzugsweise werden die zu schmelzenden anorganischen Stoffe 7, der Brennstoff 8 und der Sauerstoff 10 dem Konverter 1 kontinuierlich zugeführt, so dass der Redoxzustand in der Gasphase durch die Wahl der Brennstoffund Sauerstoffmenge beliebig eingestellt werden kann, und auch der Redoxzustand im Bad beeinflusst werden kann. So kann z. B. mit einer unterstöchiometrischen Sauerstoff-Dosierung eine reduktive Atmosphäre im Gasraum oberhalb des Bades 5 und auch im Bad 5 eingestellt werden und damit bewirkt werden, dass Schwermetalle in ihre metallische Form oder von Oxiden zu Chloriden reduziert werden und abdampfen.

[0024] Die Verweilzeiten der einzuschmelzenden Stoffe auf dem Bad 5 sind von der Badtemperatur und der Korngrösse des Aufgabegutes abhängig. Für MVA-Schlacke beträgt die Verweilzeit bei einer Badtemperatur von ca. 1500 °C und kontinuierlicher Beschickung etwa 15 Sekunden. Die Verweilzeit der flüssigen Phase ist von der Ofengeometrie und der für das Aufschmelzen notwendigen Badoberfläche abhängig und liegt etwa im Stundenbereich. Die Badtemperatur, die zur Erzeugung einer dünnflüssigen Schmelze notwendig ist, ist beispielsweise bei Rostasche aus der Müllverbrennung (Schmelztemperatur ca. 1250 °C) grösser als 1400 °C.

[0025] Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die dargestellte Anlage unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten dadurch, dass eine andere wassergekühlte Sauerstofflanze 10 verwendet wird und dass sich im Ofen neben der Schlacken- noch eine Metallphase befindet.

[0026] Die Sauerstofflanze 10 ist parallel zur Achse 4 des Konverters 1 ausgerichtet. Sie weist in ihrer Längsausdehnung mehrere auf das Bad 5 ausgerichtete Düsen auf, durch die der Sauerstoff bzw. das sauerstoffangereicherte Gas 10 mit einer Geschwindigkeit v, welche gleich oder grösser als die Schallgeschwindigkeit V_s ist, eingedüst wird.

[0027] In diesem zweiten Ausführungsbeispiel soll keine Schlacke aufgeschmolzen werden, sondern die zu schmelzenden anorganischen Stoffe 7 sind in diesem Falle Metalle. Sollen Metalle aufgeschmolzen werden, muss neben der Metallphase 5 eine zweite Phase 11 aus Schlacke im Konverter 1 vorhanden sein. Die leichtere Schlackenphase 11 schwimmt auf der schwereren Metallphase 5. Die Verbrennungsreaktion läuft auf der Schlackenphase 11 ab. Dadurch wird verhindert, dass das geschmolzene bzw. ungeschmolzene Metall direkt mit dem eingedüsten Sauerstoff 10 in Kontakt kommt. Die Entleerung des Metalls erfolgt durch Kippen des Konverters bei gleichzeitigem Zurückhalten der flüssigen Schlackenphase 11. Dies wird z. B. ermöglicht, wenn die Konverterentleerungsseite mit einer nur kleinen Öffnung versehen ist, so dass durch schnelles Kippen des Konverters 1 nur die schwere Metallphase 5 durch die Öffnung ausläuft und die leichtere Schlakkenphase 11 im Konverter 1 verbleibt. Die Beschickung erfolgt dann kontinuierlich, die Entleerung diskontinuierlich.

[0028] Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. So kann anstelle des drehenden liegenden Konverters ein Drehrohrofen benutzt werden oder beispielsweise die Sauerstoffzufuhr oder die Feststoffzufuhr konstruktiv anders gestaltet werden. Das Verfahren ist z. B. auch anwendbar zum Einschmelzen von Rostasche aus der Müllverbrennung durch direkte Verbrennung von trockenen, vorgetrockneten, pyrolisierten oder vergasten Abfällen oder Reststoffen, wobei gemeinsam mit der Rostasche auch Kessel- und/oder Filterasche aus der Müllverbrennung eingeschmolzen werden können.

Bezugszeichenliste

[0029] 

1

Konverter, Drehrohr

2

Tragrahmen für Pos. 1

3

Tragrollen

4

Achse

5

Bad

6

Chargier-Rutsche

7

anorganische Substanzen

8

stückiger Brennstoff

9

Sauerstofflanze

10

Sauerstoff, sauerstoffangereichertes Gas

11

zweite flüssige Phase, z. B. Schlacke

V_s

Schallgeschwindigkeit

Ansprüche

1. Verfahren zum Schmelzen von anorganischen Stoffen (7) in einem drehenden liegenden Konverter oder einem Drehrohr (1) mittels Zugabe von Brennstoff (8), Sauerstoff oder sauerstoffangereicherten Gasen (10) und der anorganischen Stoffe (7) in ein flüssiges Bad (5), wobei fester Brennstoff (8) in stückiger Form zugegeben wird, und der Sauerstoff oder das sauerstoffangereicherte Gas (10) mit einer Geschwindigkeit welche mindestens so gross ist wie die Schallgeschwindigkeit (v_s), auf die Oberfläche des Bades (5) aufgedüst wird, mit dem festen Brennstoff (8) reagiert und dabei Wärme freigesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff (8) Kohle oder kohlenstoffhaltiger Brennstoff eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff (8) trockene oder vorgetrocknete Abfälle eingesetzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das stöchiometrische Verhältnis von Kohlenstoff (C) zu Sauerstoff (O₂) grösser 1 ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Rostasche aus der Müllverbrennung durch direkte Verbrennung von trockenen, vorgetrockneten, pyrolisierten oder vergasten Abfällen oder Reststoffen eingeschmolzen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass gemeinsam mit der Rostasche auch Kessel- und/oder Filterasche aus der Müllverbrennung eingeschmolzen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Anfahren ein Bad (5) aus geschmolzenem Material benutzt wird, welches entweder durch den Einsatz üblicher Brenner oder durch Beschikkung aus einem weiteren Schmelzofen erzeugt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 zum Aufschmelzen von Metallen, dadurch gekennzeichnet, dass der Konverter (1) mit zwei Phasen, einer Metallphase (5) und einer sich darauf befindenden Schlackenphase (11) beschickt wird, wobei der eingedüste Sauerstoff (10) mit dem Brennstoff (8) auf oder in der Schlackenphase (11) zur Reaktion gebracht wird.

Claims

1. Process for melting inorganic materials (7) in a rotary horizontal converter or a rotary kiln (1) by adding fuel (8), oxygen or oxygen-enriched gases (10) and the inorganic materials (7) to a liquid bath (5), solid fuel (8) being added in piece form and the oxygen or the oxygen-enriched gas (10) being blown at a velocity (v), which is at least as high as the velocity of sound (v_s), onto the surface of the bath (5), said gas reacting with the solid fuel (8) and releasing heat in the course of this.

2. Process according to Claim 1, characterized in that the fuel (8) used is coal or carboniferous fuel.

3. Process according to Claim 1, characterized in that the fuel (8) used is dry or predried wastes.

4. Process according to Claim 2 or 3, characterized in that the stoichiometric ratio of carbon (C) to oxygen (O₂) is greater than 1.

5. Process according to Claim 1, characterized in that grate ash from refuse incineration is fused by direct combustion of dry, predried, pyrolysed or gasified wastes or residues.

6. Process according to Claim 5, characterized in that, together with the grate ash, boiler ash and/or filter ash from refuse incineration is also fused.

7. Process according to one of Claims 1 to 6, characterized in that, for the startup, a bath (5) of molten material is used, which molten material is either generated by using conventional burners or by charging from a further melting furnace.

8. Process according to Claim 1 for melting metals, characterized in that the converter (1) is charged with two phases, a metal phase (5) and a slag phase (11) thereabove, the injected oxygen (10) being brought to reaction with the fuel (8) on or in the slag phase (11).

Revendications

1. Procédé pour la fusion de substances inorganiques (7) dans un convertisseur rotatif horizontal ou dans un tube rotatif (1) par addition de combustible (8), d'oxygène ou de gaz enrichis en oxygène (10) et des substances inorganiques (7) dans un bain liquide (5), un combustible solide (8) étant ajouté en morceaux et l'oxygène ou le gaz enrichi en oxygène (10) étant pulvérisé sur la surface du bain (5) à une vitesse qui est au moins aussi élevée que la vitesse du son (v_s), réagissant avec le combustible solide (8) et libérant ainsi de la chaleur.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise comme combustible (8) du charbon ou un combustible contenant du carbone.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise comme combustible (8) des déchets secs ou préséchés.

4. Procédé selon les revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le rapport stoechiométrique carbone (C) à oxygène (O₂) est supérieur à 1.

5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on fond des cendres de mâchefer provenant de l'incinération d'ordures par combustion directe de déchets ou de résidus secs, préséchés, pyrolysés ou gazéifiés.

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on fond des cendres de chaudière et/ou de filtre provenant de l'incinération d'ordures en même temps que les cendres de mâchefer.

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on utilise pour le démarrage un bain (5) de matériau fondu, qui est obtenu par l'utilisation de brûleurs usuels ou par l'alimentation à partir d'un autre four de fusion.

8. Procédé selon la revendication 1 pour la fusion de métaux, caractérisé en ce que le convertisseur (1) est alimenté en deux phases, une phase de métaux (5) et une phase de scories (11) superposée sur celle-ci, l'oxygène (10) injecté étant mis en réaction avec le combustible (8) sur ou dans la phase de scories (11).

Zeichnung