Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reduzieren von schmelzflüssigen Einsatzstoffen, bei dem die Einsatzstoffe in festem, schmelzflüssigem oder gasförmigem Zustand auf ein zumindest teilweise induktiv erhitztes Bett mit stückigem Koks aufgegeben werden und die aus dem Koksbett ablaufende reduzierte Schmelze gesammelt und die Abgase abgeleitet werden. Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, umfassend einen Reaktor für die Aufnahme eines

Betts mit stückigem Koks und eine wenigstens eine Induktionsspule umfassende Induktionsheizung zum induktiven Beheizen des Koksbetts.

Zu reduzierende schmelzförmige Einsatzstoffe sind insbesondere Erze, Stäube, Schlacken, Pyrolyse-, Vergasungs- und Verbrennungsrückstände, Schmelzen, Schlämme, ESU (Elektro-Schlacken-Umschmelz)- Schlackenkomponenten (wie z.B. CaO, CaF ₂ , AI ₂ O ₃ ) und/oder metalloxidische Gläser sowie zu entgasende mineralische Schmelzen. Stückiger Koks im Sinne dieser Erfindung sind insbesondere Kohlenstoffträger wie Koks, Anthrazit und Graphit. Sehr vorteilhaft werden diese Kohlenstoffträger erfindungsgemäß mit hochreaktiven Kohlenstoffträgern wie Stein-, Braun- oder Holzkohle, Biomasse, unbelasteter oder belasteter Aktivkohle gemischt. Stäube und Schlacken, insbesondere Müllschlacken, Schredder-Leichtfraktion, Verbundmaterialien wie beispielsweise beschichtete Aluminiumfolien, Stahlschlacken sowie Schlacken aus der Nichteisenmetallurgie und anorganischen Technologie, enthalten eine Reihe von Metalloxiden, wobei im Fall von Stahlschlacken erhebliche Mengen an Schwermetalloxiden in der Schlacke vorliegen. Zur Reduktion derartiger unerwünschter Metalloxide, insbesondere der Oxide von Chrom, Vanadium, Molybdän, Wolfram, Kobalt, Mangan, Blei, Kupfer und Zink, wurde bereits vorgeschlagen, flüssige Schmelze auf ein entsprechendes reduzierendes Metallbad, insbesondere ein Eisenbad, welches gelösten Kohlenstoff als Reduktionsmittel enthält, aufzubringen, wobei die reduzierten Metalle in den Metallregulus oder die Gasphase übergehen.

Für die wirtschaftliche Durchführung eines derartigen Verfahrens ist es aber zumeist erforderlich, die Ausgangsmaterialien unmittelbar als Schmelzen einzusetzen, um die Wärme der Schmelze nützen zu können.

Des Weiteren befindet sich bei allen derartigen Reaktionen die Schlacke mit dem Metallbad im Gleichgewicht und auf Grund der Gleichgewichtsbedingungen lassen sich Schwermetalle nie in einer Weise vollständig reduzieren, bei welcher die in der

Schlacke verbleibenden Oxide unter der analytischen Nachweisgrenze wären. Dies gilt insbesondere für Chrom- und Vanadiumoxide, welche in der reduzierenden Schlacke in Mengen von zumindest über 1000 ppm verbleiben.

Gläser, insbesondere Glaschmelzen, können nur dann farblos hergestellt werden, wenn aus derartigen Glasschmelzen auch geringe Spuren von Schwermetalloxiden quantitativ entfernt werden, da die Metalloxide dem Glas entsprechende Farben verleihen.

In diesem Zusammenhang wurde in der AT 502 577 B1 bereits vorgeschlagen, feste Partikel und/oder Schmelzen auf ein zumindest teilweise induktiv erhitztes Bett oder eine Säule mit stückigem Koks aufzugeben und die ablaufende reduzierte und/oder entgaste Schmelze zu sammeln.

Ein derartiges Koksbett hat gegenüber den bekannten Metallbädern ein wesentlich höheres Reduktionspotential, wobei sowohl das Schmelzen als auch das Reduzieren di- rekt im Koksbett bzw. direkt an den Koksstücken erfolgt. Die entsprechenden Frequenzen liegen bei etwa 50 bis 100 kHz, was wiederum dazu führt, dass die aufgewendete Energie aufgrund des Skin-Effektes nur am äußerem Rand des Koksbettes eingebracht werden kann. Um das Koksbett auch in der Mitte der Schüttung ausreichend zu erhitzen, sind hohe Leistungen erforderlich, da eine Wärmeleitung durch den Koks von der induktiv beheizten Randzone zur Mitte hin nur in sehr geringem Ausmaß stattfindet.

Ein Nachteil liegt im Auftreten von unerwünschten Nebenreaktionen der im Koksbett entstehenden Gaskomponenten mit den schmelzflüssigen Einsatzstoffen. Das Verfahren ist daher nur beschränkt für die Aufarbeitung von Einsatzstoffen, insbesondere Feinstäuben, einsetzbar, die mit Schwermetallen, Phosphor, Alkalien (insbesondere Lithium), Dioxinen, Halogenen, toxischen Organika, Hormonen oder pharmazeutischen Rückständen belastet sind.

Die Erfindung zielt daher darauf ab, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass unter Vermeidung der oben genannten Nachteile in besonders einfacher und wirtschaftlicher Weise Festsubstanzen und Schmelzen weitestgehend quantitativ von unerwünschten Substanzen befreit werden können und insbesondere eine Reihe von Schwermetalloxiden bis unter die Nachweisgrenzen eliminiert werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe besteht das erfindungsgemäße Verfahren gemäß einem ersten Aspekt im Wesentlichen darin, dass ein Koksbett eingesetzt wird, dass innen von einem rohrformigen Element begrenzt wird, wobei das rohrformige Element beheizt wird und die Reaktionsgase aus dem Koksbett über eine Mehrzahl von in dem rohrformigen Element ausgebildeten Abzugsöffnungen abgezogen werden.

Gemeinsam mit den schmelzflüssigen Einsatzstoffen können Reduktionsmittel einge- bracht werden. Bevorzugte Reduktionsmittel sind Kohlestaub, Erdgas, Kohlenwasser- Stoffe, Wasserstoff, Kohlenmonoxid und/oder Ammoniak. Vorzugsweise wird das Reduktionsmittel in das Koksbett eingeblasen oder eingesaugt. Als weiteres Reduktionsmittel kann auch die Koksschüttung dienen. Es ist bevorzugt, dass die Abzugsöffnungen die Wand des rohrförmigen Elements durchsetzen und im Innern des rohrförmigen Elements münden.

Dadurch, dass das Koksbett innen von einem rohrförmigen beheizbaren Element begrenzt wird, wird die Möglichkeit geschaffen, das Koksbett nicht nur von außen, sondern von innen her zu beheizen. Dadurch wird ein wesentlich flacherer Temperaturgradient erreicht und es werden die oben im Zusammenhang mit dem Skin-Effekt erwähnten Nachteile des mangelnden Energieeintrags vermieden.

Gleichzeitig wird durch das rohrförmige Element die Möglichkeit geschaffen, die in der Koksschüttung entstehenden Reaktionsgase rascher abzuziehen. Alle anderen bekannten Schachtofenkonzepte werden aktuell ausschließlich entweder im Gegenstrom- bzw. Gleichstromverfahren betrieben, bei dem Schmelze und Gasstrom entweder gegeneinander bzw. parallel ausgerichtet sind. Die vorliegende Erfindung ermöglicht nun erstmals eine Gasführung senkrecht zur Flussrichtung der Schmelze innerhalb eines Schachtofenkonzepts. Das rohrförmige Element weist zu diesem Zweck eine Mehrzahl von Abzugsöffnungen auf, über welche die Reaktionsgase unmittelbar im Bereich ihrer Entstehung radial abgezogen werden können, so dass unerwünschte Reaktionen mit dem schmelzflüssigen Einsatzmaterial unterbleiben. Der unmittelbare Abzug der Reaktionsgase hat den weiteren Effekt, dass dadurch die Reaktionskapazität des Koksbetts wesentlich erhöht wird. Gleichzeitig kann der Schmelzefluss hinsichtlich der Durchflussraten aufgrund des reduzierten Gasvolumens innerhalb der Koksschüttung signifikant optimiert werden. Der unmittelbare Abzug der Reaktionsgase erlaubt es weiter, das chemische Gleichgewicht in die gewünschte Richtung zu verschieben, was insbesondere im Fall von Komponenten von Vorteil ist, die während der Reaktion einen Phasenwechsel vollziehen. Es ist besonders bevorzugt, dass das rohrförmige Element der Geometrie des Koksbetts angepasst ist. Vorzugsweise weist das rohrförmige Element einen runden oder rechteckigen oder daraus kombinierten Querschnitt auf. Es ist ferner bevorzugt, dass das rohrförmige Element ein elektrisch leitfähiger, gasdurchlässiger und/oder mit Bohrungen versehener, hochtemperaturbeständiger Körper ist.

In vorteilhafter Weise wird das rohrförmige Element induktiv beheizt, so dass für die Beheizung des Koksbetts und des rohrförmigen Elements dieselbe Induktionsheizung verwendet werden kann. Mit Rücksicht auf die verschiedenen Ankoppelungsfrequenzen des Koksbetts und des rohrförmigen Elements an das Induktionsfeld der Induktionshei- zung, müssen jedoch besondere Vorkehrungen getroffen werden.

Eine bevorzugte Weiterbildung sieht daher vor, dass die für die induktive Beheizung des Koksbetts und des rohrförmigen Elements vorgesehene Induktionsheizung alternierend oder gleichzeitig mit Wechselstrom unterschiedlicher Frequenz betrieben wird. Höhere Frequenzen sind hierbei erforderlich, um das Koksbett induktiv zu beheizen. Niedrigere Frequenzen sind erforderlich, um das rohrförmige Element induktiv zu beheizen.

Dabei wurde beobachtet, dass das Koksbett für die niedrigeren Frequenzen transparent ist, so dass das rohrförmige Element mit gutem Wirkungsgrad an das Induktionsfeld ankoppelt. Es können dadurch hohe Temperaturen von 1900°C und mehr mit hoher Leistungsdichte im Koksbett erreicht werden. In bevorzugter Weise besteht das rohrförmige Element dabei aus Graphit, wobei der Graphitkörper an der dem Koksbett zugewandten Seite eine von Kohlenstoff verschiedene Beschichtung aufweisen kann. Insbesondere kann die Oberfläche siliziert sein, so dass eine verschleißfeste SiC-Ober- fläche entsteht. Je nach Wahl der Wechselstromfrequenz der Induktionsheizung erfolgt eine Ankoppe- lung unterschiedlicher Korngrößenanteile der Koksschüttung. Jede Korngröße hat eine optimale Resonanzfrequenz, wobei größere Koksstücke bei niedrigeren Frequenzen ankoppeln als kleinere Koksstücke. Da das Koksbett in der Regel eine Korngrößenverteilung aufweist, kann durch Wahl der Wechselstromfrequenz die gewünschte Fraktion des Koksbetts beheizt werden. Durch Variation der Wechselstromfrequenz können hierbei in vorteilhafter Weise die verschiedenen Fraktionen gezielt zum Ankoppeln gebracht werden, so dass ein Energieeintrag über die gesamte radiale Erstreckung des Koksbetts sichergestellt ist.

Bei einer synchronen Betriebsweise erfolgt bevorzugt eine Modulation des niederfrequenten Wechselstroms mit einer oder mehreren höheren Frequenzen. Bei der alternierenden Betriebsweise kommen bevorzugt zwei oder mehr unterschiedliche Wechsel- Stromfrequenzen nacheinander und abwechselnd zur Anwendung.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass Wechselstrom wenigstens einer ersten und einer zweiten Frequenz zum Einsatz gelangt. Dabei beträgt die erste Frequenz vorzugsweise 2-10 kHz. Die zweite Frequenz beträgt vorzugsweise 50- 200kHz, insbesondere 75-130 kHz.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist für die Aufarbeitung einer Reihe von problematischen Einsatzstoffen geeignet, insbesondere für die Aufarbeitung von problematischen Feinstäuben, welche z.B. mit Schwermetallen wie Pb, Cd, Hg oder Zn belastet sind.

Zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe besteht die Erfindung gemäß einem weiteren Aspekt bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art im Wesentlichen darin, dass der Reaktor zur Aufnahme eines im Querschnitt ringförmigen Koksbetts ausgebildet ist, das innen von einem rohrförmigen Element des Reaktors be- grenzt ist, wobei das rohrförmige aus einem zur induktiven Kopplung an das Induk- tionsfeld der Induktionsspule geeigneten Material, insbesondere Graphit, besteht und eine Mehrzahl von Abzugsöffnungen zum Abziehen von Reaktionsgasen aus dem Koksbett aufweist. Da das Koksbett und das rohrförmige Element bei voneinander verschiedenen Frequenzen des Induktionsfelds ankoppelt, sieht eine bevorzugte Weiterbildung vor, dass die Spannungsversorgung der Induktionsheizung wenigstens einen Frequenzumrichter oder Frequenzgenerator mit einer Steuervorrichtung umfasst, der ausgebildet ist, um die Induktionsheizung alternierend oder gleichzeitig mit Wechselstrom unterschiedlicher Frequenzen zu betreiben.

Besonders bevorzugt kann die Steuervorrichtung ausgebildet sein, um die Induktionsheizung mit Wechselstrom wenigstens einer ersten und zweiten Frequenz zu betreiben. Dabei beträgt die erste Frequenz vorzugsweise 2-10 kHz und die zweite Frequenz be- vorzugt 50-200kHz, insbesondere 75-130 kHz.

Eine weitere bevorzugte Ausbildung sieht vor, dass Leitungen zum Einblasen reaktiver Gase in das Koksbett münden. Um einen effektiven Abzug der Reaktionsgase aus dem Koksbett zu gewährleisten, ist bevorzugt vorgesehen, dass die Abzugsöffnungen die Wand des rohrförmigen Elements durchsetzen und in einen im Innern des rohrförmigen Elements angeordneten oder ausgebildeten Abzugskanal münden. Um einen über das gesamte Koksbett gleichmäßigen Abzug zu erreichen, ist bevorzugt vorgesehen, dass die Abzugsöffnun- gen in Umfangsrichtung über das rohrförmige Element verteilt angeordnet sind. Die Abzugsöffnungen sind in Umfangsrichtung hierbei insbesondere gleichmäßig verteilt. Außerdem können die Abzugsöffnungen auch in axialer Richtung, d.h. in Höhenrichtung des Koksbetts verteilt angeordnet sein. Mit Vorteil sind die Abzugsöffnungen in einer Mehrzahl von horizontalen, zueinander parallel verlaufenden Reihen angeordnet. Besonders bevorzugt kann eine Einrichtung zum selektiven Öffnen und Verschließen wenigstens einer Teilmenge der Abzugsöffnungen vorgesehen sein. Dadurch kann der Gasabzug so eingestellt werden, dass die Reaktionsgase an der den jeweiligen Erfor- dernissen entsprechenden optimalen Position abgezogen werden.

Um zu verhindern, dass feste oder flüssige Komponenten aus dem Koksbett gemeinsam mit den Reaktionsgasen über die Abzugsöffnungen ausgetragen werden, sieht eine bevorzugte Weiterbildung vor, dass die Abzugsöffnungen in Richtung zum Ab- zugskanal schräg nach oben verlaufen.

Besonders bevorzugt weisen die Abzugsöffnungen einen ersten Bereich mit einem ersten Strömungsquerschnitt und einen daran anschließenden zweiten Bereich mit gegenüber dem ersten Bereich verringertem Strömungsquerschnitt auf. Diese Ausbildung bewirkt, dass die Reaktionsgase im ersten Bereich der Auszugsöffnungen laminar strömen, wohingegen durch die Querschnittsverengung im zweiten Bereich eine turbulente Strömung bewirkt wird. Die turbulente Strömung begünstigt den Kontakt der mit den Reaktionsgasen ggf. mitgerissenen schmelzförmigen Partikeln mit der Wand der Abzugsöffnungen und untereinander. Die mitgerissenen Partikel agglomerieren hierbei und die dadurch entstehenden Tropfen fließen entlang der Wand der Abzugsöffnungen zurück in den Reaktorraum bzw. in das Koksbett.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In diesen zeigt Figur 1 einen erfindungsge- mäßen Reaktor, Figur 2 eine Detailansicht für einen Querschnitt des rohrförmigen Elements zum Abzug der Reaktionsgase und Figur 3 ein mögliches Ausführungsbeispiel für eine Bohrung für den Gaseinzug in das rohrförmige Element.

Der erfindungsgemäße Reaktor in Figur 1 besteht aus einer oder mehreren Induktions- spulen 1 , die um die Reaktorwand 2 geführt sind. Induktionsspulen 1 und Reaktorwand 2 haben dabei bevorzugt einen runden, aufeinander abgestimmten Querschnitt. Ferner sind bevorzugt rechteckige oder Kombinationen aus runden und rechteckigen Querschnitten möglich. Innerhalb der Reaktorwand 2 befindet sich ein rohrformiges Element zum Abzug von Reaktionsgasen 3 und eine Schüttung aus stückigem Koks 4. Die Geo- metrie des rohrformigen Elements zum Abzug von Reaktionsgasen 5 ist bevorzugt der Geometrie des Reaktors angepasst. Feste und/oder schmelzflüssige Stoffe können in den induktiv erhitzen Reaktor eingebracht werden. Die entstehenden Reaktionsgase werden nun mittels des rohrformigen Elements zum Abzug von Reaktionsgasen 5 aus der Schüttung aus stückigem Koks 4 mittels einer Druckdifferenz zum Ausgang des Gasabzugsrohres 3 abgezogen. Die verbleibenden schmelzflüssigen Stoffe, z.B. Metallschmelze und/oder Schlacke, kann in der einfachsten Ausführungsform direkt über eine Abstichöffnung 6 aus dem Reaktorinnenraum und der Schüttung aus stückigem Koks 4 entfernt werden. Figur 2 stellt einen möglichen Querschnitt des rohrformigen Elements zum Abzug von Reaktionsgasen 5 dar. Darin eingebettet sind Bohrungen 7 innerhalb der Rohrwand 8 des rohrformigen Elements zum Abzug von Reaktionsgasen 5 aus der Schüttung aus stückigem Koks 4. Die Bohrungen sind bevorzug schräg angeordnet in der Form, dass sie von der Außenseite zur Innenseite des rohrformigen Elements zum Abzug von Reaktionsgasen 5 nach oben verlaufen. Dadurch kann ein Eindringen von festen oder schmelzflüssigen Stoffen aus dem Reaktorvolumen der Schüttung aus stückigem Koks 4 in das Rohrinnere 9 minimiert werden. Eine weitere Ausführungsform des rohrformigen Elements zum Abzug von Reaktionsgasen 5 stellt ein modularer Aufbau dar. Hierbei können eine beliebige Anzahl von Einzelsegmenten bestehend aus Bohrungen 7 und Segmenten der Rohrwand 8 übereinander angeordnet werden das rohrformigen Element zum Abzug von Reaktionsgasen 5 aufbauen. Eine zusätzliche Ausführungsform des rohrformigen Elements zum Abzug von Reaktionsgasen 5 stellt ein modularer Aufbau in der Form dar, dass mehrere Einzelelemente des rohrformigen Elements zum Abzug von Reaktionsgasen 5 parallel zueinander in die Schüttung aus stückigem Koks 4 eingebracht werden. Bevorzugt weisen die verschiedenen rohrformigen Elemente zum Abzug von Reaktionsgasen 5 Bohrungen 7 an verschiedenen Ebenen innerhalb der aus stückigem Koks 4 auf. Dadurch kann der Reaktor in einer Weise optimiert werden, dass verschiedene Reaktionsgase, die an verschiedenen Stellen innerhalb der Schüttung aus stückigem Koks 4 separat abgezogen werden können. Es können somit unterschiedliche Reaktionszonen innerhalb der Schüttung aus stückigem Koks 4 definiert werden, aus denen unabhängig Reaktionsgase abgezogen werden. Die Definition der unterschiedlichen Reaktionszonen kann zum Beispiel durch Einstellung unterschiedlicher Temperaturen erfolgen, bzw. durch gezieltes Einbringen von Reaktionspartnern durch Düsen von außerhalb der Reaktorwand 2. Eine weitere Ausführungs- form ist das Einbringen eines rohrformigen Elements zum Abzug von Reaktionsgasen 5 bestehend aus mehreren voneinander abgetrennten Volumen im Rohrinneren 9. Bohrungen auf unterschiedlichen Reaktionszonen ermöglichen den definierten und unabhängigen Abzug von Reaktionsgasen aus der Schüttung aus stückigem Koks 4 in die abgetrennten Volumen im Rohrinneren 9.

Figur 3 stellt nun eine Detailansicht für eine mögliche Ausführungsform einer Bohrung 7 innerhalb der Rohrwand 8 des rohrformigen Elements zum Abzug von Reaktionsgasen 5 dar. Die Bohrung 7 ist bevorzug schräg angeordnet in der Form, dass sie von der Außenseite zur Innenseite des rohrformigen Elements zum Abzug von Reaktionsgasen 5 nach oben verläuft. Zusätzlich ist die Bohrung 7 in 2 Segmente unterschiedlicher Geometrie eingeteilt. Der zur äußeren Teil der Bohrung 10 ist zur Schüttung aus stückigem Koks 4 zugewandt. Er besitzt ein größeres Volumen im Vergleich zum inneren Teil der Bohrung 1 1 , der direkt in das Rohrinnere 9 führt. Durch das größere Volumen des äußeren Teils der Bohrung 10 wird die Geschwindigkeit der Reaktionsgase, die aus der Schüttung aus stückigem Koks 4 angezogen werden verlangsamt und mögliche feste oder schmelzflüssige Partikel, die sich noch im Gasstrom befinden, können zur Unterseite des äußeren Teils der Bohrung 10 sinken und dort zurück in die Schüttung aus stückigem Koks 4 fließen. Durch die Reduktion des Durchmessers im inneren Teil der Bohrung 1 1 im Vergleich zum äußeren Teil der Bohrung 10 kommt es im inneren Teil der Bohrung 1 1 zu einer erhöhten Gasgeschwindigkeit und bevorzugt zu einer turbulenten Durchmischung des Reaktionsgases aus der Schüttung aus stückigem Koks 4. Eventuell verbleibende feste oder schmelzflüssige Partikel, die noch nicht im äußeren Teil der Bohrung 10 abgeschieden wurden, vereinigen sich bevorzugt in der turbulenten Zone des inneren Teils der Bohrung 1 1 zu größeren Partikeln, die dann bevorzugt hier am unteren Teil des inneren Teils der Bohrung 1 1 abgeschieden werden und von dort zurück in die Schüttung aus stückigem Koks 4 abfließen können. Bevorzugt kann der äußeren Teils der Bohrung 10 durchgängig rotationssymmetrisch um das rohrförmigen Elements zum Abzug von Reaktionsgasen 5 ausgeführt werden, während die inneren Teile der Bohrung 1 1 an ausgewählten Positionen und in ausgewählter Anzahl in den äußeren Teil der Bohrung 10 eingebracht werden.

Legende zu den Figuren:

1 Induktionsspule

2 Reaktorwand

3 Abzug von Reaktionsgasen

4 Schüttung

5 rohrförmiges Element zum Abzug von Reaktionsgasen

6 Abstichöffnung

7 Bohrungen

8 Rohrwand

9 Rohrinneres

10 Bohrung äußerer Teil

1 1 Bohrung innerer Teil