(57)【要約】この発明は、渦流チャンバ（4）を有しとくにフラッシュ炉またはサスペンション炉を構成する炉（1）の粒状固体の熱処理方法に関し、マイクロ波源（2）からのマイクロ波を、導波管を通して炉（1）に放射し、さらにこの発明は、対応するプラントに関する。導波管の堆積物を避けるために、同じ導波管がガス供給管（3）を構成し、ガス流がさらに、ガス供給管（3）を通して渦流チャンバ（4）に供給される。
2006511776.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
渦流チャンバ（4）を有しとくにフラッシュ炉またはサスペンション炉を構成する炉（1）の粒状固体の熱処理方法であって、マイクロ波源（2）からのマイクロ波を、導波管を通して該炉（1）に放射する方法において、前記導波管がガス供給管（3）を構成し、該ガス供給管（3）を通してガス流をさらに前記渦流チャンバ（4）に供給することを特徴とする熱処理方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、前記ガス供給管（3）を通して導入される前記ガス流を、前記渦流チャンバ（4）に形成される流動層のさらなる流動化のために利用することを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の方法において、前記ガス供給管（3）に導入される前記ガス流によって、該ガス供給管（3）の固体堆積物を避けることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれかに記載の方法において、前記マイクロ波放射に使用する周波数が、300MHzと30GHzとの間にある、好ましくは435MHz、915MHzおよび2.45GHzの周波数であることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれかに記載の方法において、前記炉（1）の温度が150℃と1200℃との間にあることを特徴とする方法。
【請求項６】
渦流チャンバ（4）を有しとくにフラッシュ炉またはサスペンション炉を構成する炉（1）と、該炉（1）の外部に配置されたマイクロ波源（7）と、マイクロ波を該炉（1）に放射する導波管とを含む、粒状固体の熱処理プラント、とくに請求項１から５までのいずれかに記載の方法を実施するためのプラントにおいて、前記導波管はガス供給管（3）を構成し、該ガス供給管（3）を通してガス流をさらに前記渦流チャンバ（4）に供給できることを特徴とするプラント。
【請求項７】
請求項６に記載のプラントにおいて、前記ガス供給管（3）は矩形または円形断面を有し、その寸法は、とくに前記マイクロ波放射で使用する周波数に調整されていることを特徴とするプラント。
【請求項８】
請求項６または７に記載のプラントにおいて、前記ガス供給管（3）は0.1mから10mの長さであることを特徴とするプラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、とくにフラッシュ炉またはサスペンション炉を構成する渦流チャンバを有する炉の粒状固体の熱処理のための方法に関し、この炉では少なくとも一つの導波管を通してマイクロ波が炉に放射され、さらに本発明はそれに対応するプラントに関するものである。この方法においては、炉に形成された流動床で粒状固体を熱処理し、この炉では、流動化ガスおよびマイクロ波源から来る電磁波（マイクロ波）を炉の流動床に供給し、流動床は流動層を構成する。
【０００２】
マイクロ波源をそのような流動層炉に結合させるにはいくつかの可能性がある。これらは、たとえばオープン導波管、スロットアンテナ、カップリングループ、ダイアフラム、ガスまたは別の絶縁体で満たされた同軸アンテナ、またはマイクロ波透過性の物質（ウインドウ）でふさがれた導波管を含んでいる。供給導管からマイクロ波を分離する典型的なものは、さまざまな方法で達成できる。
【０００３】
理論的には、マイクロ波のエネルギーは導波管で損失なしに伝達できる。導波管の断面は、非常に高い周波数のためのコイルおよびコンデンサを含む電気発振回路の必然的発展として得られる。理論的にはそのような発振回路は同様に損失なく動作できる。共振周波数が実質的に増加した場合は、電気発振回路のコイルは、導波管断面の片側に相当する巻線の半分になる。コンデンサは平板コンデンサになり、これは同様に導波管断面の両側に対応する。実際には、発振回路はコイルおよびコンデンサのオーム抵抗のためにエネルギーを失う。導波管は導波管壁のオーム抵抗によってエネルギーを失う。
【０００４】
電気発振回路から、それに第二発振回路を結合させることにより、エネルギーを分岐させることができ、これにより、最初の電気発振回路からエネルギーを回収する。同様に、第一の導波管に第二の導波管をフランジすることにより、エネルギーを第一の導波管より分離することができる（導波管遷移）。ショートしているプランジャにより、第一の導波管を結合点の後で止めると、全エネルギーを第二の導波管に向けることさえできる。
【０００５】
導波管のマイクロ波のエネルギーは導電性の壁によって囲まれている。壁を壁電流が流れ、導波管断面にその電界強度がメートル当たり数10KVになり得る電磁場が存在する。導電性アンテナロッドを導波管の中に置くと、導波管は電磁場の電位差を直接消散し、形が適していると前記電位差をまたその末端（アンテナまたはプローブデカップリング）で再度放射できる。開口部を通して導波管に入り、別の点で導波管壁に接するアンテナロッドは壁電流を直接受け取り、同様にその末端で壁電流を放射することさえできる。導波管を、ショートしているプランジャによりアンテナカップリングの後で止めると、この場合も同様に全エネルギーを導波管からアンテナへ向けることができる。
【０００６】
導波管の壁電流の力線が溝によって中断されると、マイクロ波のエネルギーは壁を流れ続けることができないので、これらの溝を通して導波管から出てくる（スロットデカップリング）。矩形導波管の壁電流は、導波管の広い側面の中央の中央線に平行に流れ、また導波管の狭い側面の中央の中心線を横切って流れる。それゆえ、広い側面の横の溝および狭い側面の長さ方向の溝は導波管からマイクロ波放射をデカップリングする。
【０００７】
空洞断面の寸法が、ある最小値より小さくならなければ、すべての種類の形状の導電性の空洞断面にマイクロ波放射を導くことができる。マックスウェル方程式（非定常、非線形微分方程式）は結局、対応する境界条件で解かれなければならないので、共振条件の正確な計算はかなり複雑な数学を含む。しかしながら、矩形または円形導波管断面の場合は、方程式は解析的に解けて、導波管の設計に関する問題がより明瞭になり、より容易に解決する程度にまで、方程式を単純化することができる。そのため、および生産が比較的容易であるため、矩形導波管または円形導波管のみが工業的に使用され、これらはまた本発明に従って使用することが好ましい。主に使用される矩形導波管はアングロサクソン語の文献で標準化されている。これらの標準寸法はドイツで採用された。これが、半端な寸法が一部に現れる理由である。一般的に、周波数2.45GHzのすべての工業用マイクロ波源はR26タイプの矩形導波管を備えており、この導波管は43 x 86mmの断面を有する。導波管においては、異なった振動状態が存在する。TEモードでは、電場成分は導波管の方向を横切っており、磁気成分は導波管の方向にある。TMモードでは、磁場成分は導波管の方向を横切っており、電界成分は導波管の方向にある。両方の振動状態は、モードの数が異なれば空間のすべての方向に現れることができる（たとえば、TE-1-1、TM-2-0）。
【０００８】
粒状固体の熱処理のための方法は米国特許第5,972,302号で知られている。これでは硫化物鉱石は、マイクロ波によって補助された酸化を受ける。この方法は主に、流動層の黄鉄鉱のか焼に関するものであり、これでは、流動層に導入されたマイクロ波は赤鉄鉱および硫黄元素の形成を促進し、SO2の形成を抑える。その上に直接配置されたマイクロ波源により直接放射される定常流動層が採用されている。マイクロ波源またはマイクロ波の入力点は流動層から上がってくるガス、蒸気および埃と必然的に接触する。
【０００９】
欧州特許第0 403 820 B1号には、流動層の物質を乾燥させるための方法が記載されている。これでは、マイクロ波源は流動層の外に配置されていて、マイクロ波が導波管により流動層に導入されている。加熱すべき固体でマイクロ波放射の反射がしばしば起こり、そのため、効率が減少し、マイクロ波源が損傷を受ける可能性がある。オープンマイクロ波導波管の場合は、導波管に埃の堆積物もあり、堆積物はマイクロ波放射の一部を吸収し、マイクロ波源を損傷する可能性がある。
【発明の概要】
【００１０】
したがって、本発明の基礎となる目的は、定常または循環流動層にマイクロ波をより効率的に供給し、マイクロ波源を、結果として生じるガス、蒸気および埃、および反射されたマイクロ波パワーから保護することである。
【００１１】
本発明に従えば、導波管がガス供給管を構成し、マイクロ波放射に加えて、ガス流を、ガス供給管を通して渦流チャンバに供給する上記の方法で、この課題は実質的に解決される。
【００１２】
埃または処理ガスが導波管に入り、マイクロ波源にまで広がり、それに障害を与え、もしくは導波管に固体堆積物を形成することは、導波管からの連続ガス流によって十分避けることができる。したがって本発明によれば、従来技術で普通に使用されているマイクロ波源を保護するための導波管のマイクロ波透過性の窓を除くことができる。マイクロ波透過性の窓には、窓上の埃の堆積物または他の固形物がマイクロ波放射を弱め、一部吸収する問題がある。それゆえ、本発明に従ったオープン導波管はとくに有利である。このように、マイクロ波源を循環流動層の外に配置し、少なくとも一つのオープン導波管を通して、ガス流とともにマイクロ波を流動層炉に放射することができる。
【００１３】
中央管または中央ガス羽口を構成するガス供給管を通して、まだ埃を含んでいて熱い処理ガスを炉に導入し、処理ガスにより渦流チャンバの固体に渦巻きを起こすことも可能である。しかしながら、埃を含むガスは、埃粒子によるマイクロ波放射の吸収のために、マイクロ波放射の効率を減少させるかもしれないため、中性の埃の無いガス、たとえばパージガスを本発明によるガス供給管を通して最初に流すであろう。中性ガスは、炉に含まれる物質と反応せず、マイクロ波放射をほとんど吸収しない。この発明の概念の延長で、埃を含んだ処理ガスをガス供給管（中央ガス羽口）の入口の少し前で、炉の空間にだけ導入する。炉の循環流動層での熱処理の間に、固体は、流動層炉（フラッシュ炉またはサスペンション炉）と、流動層炉の上部領域と連結した固体分離器と、固体分離器を流動層炉の下部領域と連結する戻り導管との間を連続的に循環する。通常、時間当たりの循環する固体の量は、流動層炉に存在する固体の量の少なくとも三倍である。
【００１４】
ガス供給管または中央ガス羽口を通して導入されたガス流を炉のさらなる流動化のために利用する、すなわち他の供給導管を通して炉にこれまでは導入されていたガスの一部を、導波管を構成する中央ガス羽口の洗浄のために利用する時、別の改良が得られる。したがって、使用された流動化ガスが埃を含まず、または、導入されたマイクロ波パワーの一部を他の理由により、実質的に吸収する時には、中性パージガスを供給しないことが可能である。
【００１５】
別の利点は、導波管を構成する中央ガス羽口の連続的ガス流によって、導波管の固体堆積物を避けることができることである。これらの固体堆積物は、好ましくないように導波管の断面を変化させ、炉の固体のために計画されたマイクロ波のエネルギーの一部を吸収する。中央ガス羽口でのエネルギーの吸収のために、中央ガス羽口も著しく加熱されると考えられ、それによって材料が強い熱摩耗にさらされるであろう。さらに、中央ガス羽口の固体堆積物は、マイクロ波源に好ましくないフィードバック反作用を与えるであろう。
【００１６】
適したマイクロ波源、すなわち電磁波源には、たとえばマグネトロンまたはクライストロンが含まれる。さらに、対応するコイルまたはパワートランジスタを有する高周波発生器が使用できる。マイクロ波源から発生する電磁波の周波数は普通300MHzから30GHzの範囲内である。好ましくは435MHz、915MHzおよび2.45GHzのISM周波数が使用される。便宜的には最適周波数は、試験運転で各応用について決められる。
【００１７】
本発明によれば、導波管としての役割もあるガス供給管は全部または大部分が導電性材料、たとえば銅からなる。導波管の長さは0.1から10mの範囲である。導波管は真っ直ぐでも曲がっていてもよい。好ましくは、円形または矩形断面が使用され、寸法はとくに、使用する周波数に合致させる。
【００１８】
本発明によれば、導波管（ガス供給管）のガス速度は、導波管の粒子フルード数が0.1と100との間の範囲にあるように調整される。粒子フルード数は次のように定義される。
Frp = u/√((ρs-ρf)×dp×g/ρf)
ここで
u ＝ガス流の実効速度（m/s）
ρs ＝導波管に入る固体粒子または処理ガスの密度（kg/m3）
ρf ＝導波管のパージガスの実効密度（kg/m3）
dp ＝炉を稼動中の炉インべントリの粒子（または形成された粒子）の平均直径      （m）
g ＝重力定数（m/s2）
固体粒子または生成された処理ガスが炉から導波管に侵入することを防ぐために、パージガスとしての役目をするガスがたとえば導波管を貫通して流れる。固体粒子はたとえば、炉に存在する埃粒子または処理された固体でもありうる。処理ガスは、炉で起こる処理中に発生する。ある粒子フルード数を特定することによって、流入する固体粒子または処理ガスのパージガスに対する密度比は、ガス速度を調整する時に本発明に従って考慮され、この比は、ガス流の速度とは別に、ガス流が流入粒子を運べるか否かという問題に対して決定的である。それにより、物質が導波管に侵入することを防ぐことができる。導波管の上記粒子フルード数によって、良好な処理条件が、処理すべき固体のために炉に存在することがわかった。多くの応用について導波管では、２と30との間の粒子フルード数が好まれる。
【００１９】
流動層の温度は、たとえば150から1200℃の範囲であり、たとえば間接的熱交換によって、流動層にさらに熱を加えることが薦められる。流動層の温度測定のために、絶縁したセンサ素子、放射高温計または光ファイバセンサを使用することができる。
【００２０】
本発明による方法によって処理される粒状固体は、たとえば鉱石、とくに硫化物鉱石であり、これらはたとえば金、銅または亜鉛を回収するために製造される。さらに再利用物質、たとえば亜鉛含有処理酸化物または廃棄物質は、流動層における熱処理を受けることができる。もし、たとえば含金硫砒鉄鉱などの硫化物鉱石に本方法を受けさせると、硫化物は酸化物に変化し、好ましくは、適切な工程によって硫黄元素およびごく少量のSO2を形成する。本発明の方法は都合よく鉱物の構造をゆるめ、そのため、それに続く金の浸出により収量が改善する。好ましくは熱処理によって形成された硫砒鉄鉱（FeAsS）は容易に処理することができる。都合がよいことに、処理すべき固体は少なくとも部分的には、使用した電磁波放射を吸収し、このため層を加熱する。驚くべきことに、場の強さが強いもので処理された材料はさらに容易に浸出できることがわかった。しばしば、さらに、保持時間の減少または必要とされる処理温度の低下などの他の技術的利点も達成できる。
【００２１】
本発明はさらに、とくに、粒状固体の熱処理のための上記方法を実行するプラントに関するものである。本発明によるプラントには、渦流チャンバを有する炉、炉の外側に配置されたマイクロ波源、および炉にマイクロ波を放射するための導波管が含まれており、炉はフラッシュ炉またはサスペンション炉を構成する。流動層炉にガスを供給するガス供給導管が導波管に連結している。導波管はガス供給管を構成し、ガス供給管を通して渦流チャンバに、マイクロ波放射に加えて、ガス流を供給できる。ガス流は、炉の渦流チャンバに循環流動層を生成する役目をする。
【００２２】
本発明の発展、利点および可能な応用も次の実施例の説明および図から読み取ることができる。記載および/または図示したすべての特徴それ自体または任意の組合せは、特許請求の範囲または以下の記載に含まれるものかどうかによらず、本発明の主題に属するものである。
【好ましい実施例の詳細な説明】
【００２３】
図１は、循環流動層の粒状固体の熱処理のための、本発明に従った方法を実施するためのプラントを示す。
【００２４】
プラントには、フラッシュ炉を構成する炉１が含まれ、処理すべき粒状固体が固体バンカ５から供給導管６を通してフラッシュ炉に導入される。固体は炉１の渦流チャンバ４に入り、ガス供給管３を通して導入されたガス流によって運ばれ、固体は渦流チャンバ４において循環流動層を形成する。この目的のために、ガス供給管はとくに中央ガス羽口を構成することができる。炉１で起こる工程に必要な熱を供給するために、燃焼チャンバとして働くマイクロ波源２を炉の上流に設置し、マイクロ波源よりマイクロ波線を、導波管を構成するガス供給管３を経由して炉の空間（渦流チャンバ４）に導入する。炉１の固体は、導入されたマイクロ波放射を吸収し、それにより望みの処理温度まで加熱される。
【００２５】
同時にパージガスを、導管７およびガス供給管３（中央ガス羽口）を経由して渦流チャンバ４に導入し、そこで渦流チャンバ４は固体に渦巻きを起こす。ガス供給管３での粒子フルード数Frpは約25である。渦流チャンバ４では、粒子フルード数Frpは約６であり、それぞれの処理におけるずれに応じて、達成可能である。パージガス、たとえば流動化空気は、技術的理由から前もって加熱することもできる。場合によっては、さらなるガス、たとえば埃を含む熱い処理ガスを供給導管８を経由してガス供給管の中に導入することができる。ガス供給管３が渦流チャンバ４に開いているすこし前で、このようにさらに処理ガスの供給を行なうと、マイクロ波はむしろ妨げられずに固体に当たり、処理ガス中の埃によって吸収されることはない。それにより、マイクロ波放射の高い効率が達成される。
【００２６】
渦流チャンバ４では、固体と処理ガスとの所望の反応がそのときに起こる。固体を含むガスは続いて炉１の上部に流れ込み、そこからガスは、運ばれる固体とともに出口９を経由して分離器10に流れ込み、分離器10の前側でガスは導管11を経由して回収される。分離された固体は分離器10の底部から、戻り導管12を経由して炉１の渦流チャンバ４に再循環され、微細固体の一部を、排出導管13を経由して回収することも可能である。
【００２７】
循環流動層を持つ炉１、とくにフラッシュ炉にマイクロ波を、より効率的に放射するとともに、ガス、蒸気、埃および反射されるマイクロ波線からマイクロ波源２を保護するために、本発明によるマイクロ波源を炉１の外側に配置する。マイクロ波を、少なくとも一つのオープン導波管を通して炉１の渦流チャンバに放射する。導波管はガス供給管３を構成し、ガス供給管３を通してガス流が、循環流動層を生成するために、マイクロ波放射に加えて炉１へ供給される。
【００２８】
実施例（マグネサイトのか焼）
次の表は、マグネサイトのか焼のための典型的な方法のパラメータを示す。比較のため、データは、本発明によるマイクロ波放射の有無で示す。放射されるマイクロ波の周波数は2.45GHzである。流動化空気は、すべて導管７経由で供給される。この実施例では、さらなる処理ガスを、導管８を通して混合することはしない。
供給                マグネサイト
単位      従来              マイクロ波支援
炉の型                        フラッシュ炉        フラッシュ炉
＋マイクロ波
運転モード                    連続                連続
流量                kg/h      252                 245
粒子サイズ          100%      ＜0.20mm            ＜0.20mm
流動化空気、炉      Nm3/h     300                 300
入口      
温度                ℃        750                 720
エネルギー入力      
燃料オイル          l/h       28.5                26.5
マイクロ波          kW        ０                  ６
製品品質
焼きなまし損失      ％        2.3                 0.4
製品品質は、提案する方法によって実質的に改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本発明によるマイクロ波カップリングを有するフラッシュ炉の概略図を示す。
【符号の説明】
【００３０】
１  炉
２  マイクロ波源
３  ガス供給管、中央ガス羽口、導波管
４  渦流チャンバ
５  固体バンカ
６  供給導管
７  導管
８  供給導管
９  出口
10  分離器
11  導管
12  戻り導管
13  排出導管
【図１】
2006511776.tif 000003
【国際調査報告】
2006511776.tif 000004
2006511776.tif 000005