SHAFT FURNACE FOR THE TREATMENT OF WASTE LEAD AND BATTERY SCRAP WITH A POST-COMBUSTION INSTALLATION FOR THE EXHAUST GASES

Abstract: 1. Shaft furnace for smelting waste lead, in particular battery scrap, having charging holes for raw material and additives, blast nozzles for blowing in combustion air, tapping holes for the smelted crude lead and the slack, and an afterburning unit for the furnace gas produced in the smelting process, characterized in that the afterburning unit is a radiation recuperator (1) formed of two concentrically arranged, high temperature-resistant tubes, whose inner pipe (2) consists of a ceramic material of high thermal conductivity and whose outer pipe (3) consists of a heat-resistant, heat-insulating ceramic material, and which has means for feeding the furnace gas to the inner pipe (2) and for feeding combustion air in counter-current to the annular gap (4) between the inner pipe (2) and outer pipe (3), and that the inner pipe (2) is open towards the annular gap (4) in the region of the furnace gas inlet.

Description: Schachtofen zur Verhüttung von Altblei aus Akkumulatorenschrott mit einer Nachverbrennunqsanlaqe für das beim Verhüttunqsprozess entstehende Gichtgas Die Erfindung betrifft einen Schachtofen zur Verhüttung von Altblei, insbesondere Akkumulatorenschrott, welcher zum Beladen mit Rohmaterial und Zuschlägen eine Beschickungsöffnung, Winddüsen zum Einblasen von Verbrennungsluft, Abstichöffnungen für das erschmolzene Werkblei und die Schlacke sowie eine Nachverbrennungsanlage für das beim Verhüttungsprozess entstehende Gichtgas besitzt. Die "Verhüttung" von ganzen Batterien und Fabrikationsabfällen aus Batteriefabriken stellt eine komplexe Kombination von vielen Einzelvorgängen dar, von denen das Einschmelzen des metallischen Anteils und die Reduktion des oxidischen Bleianteils noch die einfachsten sind. Insoweit bestehen Parallelen zum HochofenprozeB, zumal der Schachtofen für die Blei-Rückgewinnung in seinem grundsätzlichen Aufbau dem Hochofen für die Roheisenerzeugung durch Reduktion oxidischer Eisenerze mit Koks ähnlich ist. Der Verfahrensablauf bei der Verhüttung von Akkumulatorenschrott sowie eine dem derzeitigen technischen Stand entsprechende Ofenanlage werden beispielsweise in der USPS 4 340 421 beschrieben. Der besondere Vorzug dieser Verhüttung liegt in der direkten Einschmelzbarkeit von Akkumulatoren samt Kastenmaterial und ungeachtet der in diesen noch enthaltenen Säure zusammen mit anderem Bleischrott sowie Zuschlägen an Koks, Retourschlacken, Eisenschrott, Eisenoxid und Kalk. Eine vorherige Zerlegung und Sortierung der schrottreifen Batterien und die damit verbuhdene hygienische Belastung der Arbeitskräfte entfällt. Durch die thermische Zersetzung der organischen Werkstoffe der Batterien, insbesondere des Kastenmaterials und der Separatoren, entstehen z. T. flüchtige organische Verbindungen, teerartige Crackprodukte, die mit dem Gichtgas ausgetragen werden. Das im wesentlichen aus den Komponenten N2, H20, CO2 und CO bestehende Gichtgas ist weiterhin mit nennenswerten Mengen anorganischen Staubes (PbCl2, PbO, PbSO4, SiO2, Al203, FeO, CaO) beladen, während es HCI (aus dem PVC-Anteil am Batterieschrott) und 502 (aus der Batteriesäure) nur in sehr geringen Mengen enthält, da ersterer mit den Bleiverbindungen zu PbCl2 reagiert, letzteres nach S02+2CO s 5+2cm2 zu Schwefel reduziert wird, der sich mit zugesetztem Eisen zu FeS umsetzt. Das Gichtgas enthält, wie aus dem vorigen zu ersehen ist, teils giftige, teils durch ihren Geruch stark störende Substanzen. Es wird deshalb einer thermischen Nachbehandlung unterzogen, bei der das Kohlenmonoxid und die teerartigen und öligen Zersetzungsprodukte restlos zu CO2 und H2O verbrannt und der anorganische Staubanteil durch Agglomeration zu einer gut filtrierbaren Form umgewandelt wird. Da das Gichtgas im allgemeinen mit einer Temperatur von ca. 150 -2500C aus dem Ofen austritt, ist dazu die Einleitung der Verbrennung durch eine Zünd- oder Stützfeuerung erforderlich. Nun hat die praktische Erfahrung gelehrt, dass zwar der CO-Anteil nach Zumischung der erforderlichen Verbrennungsluft rasch und leicht zu C02 oxidiert wird, dass aber das Gemisch aus RuB und Teer im Verein mit den o.g. anorganischen Verbindungen ausgesprochen langsam verbrennt. Annehmbare Reaktionsgeschwindigkeit erreicht man erst bei Temperaturen im Bereich über 850dz. Da man den CO-Gehalt aus wirtschaftlichen Gründen niedrig hält und daher bei dessen Verbrennung nur wenig Wärme freigesetzt wird, so kann der o.g. Temperaturbereich nur durch eine relativ grosse Stützfeuerung erreicht und aufrechterhalten werden. Entsprechend hoch ist der Kostenanteil dieses Brennstoffverbrauchs, gemessen am Gesamtprozess. Der Möglichkeit, einen Teil der Energie durch Rückgewinnung in herkömmlicher Weise nutzbar zu machen, z.B. in regenerativen oder rekuperativen Wärmetauschern, stehen mehrere prinzipielle Schwierio# e#! en im Wege. Einerseits setzen sich bei Regeneratoren die Sp--iche+- -chen rasch mit dem teilweise geschmolzenen anorganischen Material zu; andererseits wirkt bei Stahlrekuperatoren insbesondere da in dem Gichtgas reichlich vorhandene Bleichlorid stark korrosiv - selbst bei hochlegierten Stahlsorten. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, die in einer Schachtofenanlage für die Bleirückgewinnung aus Batterie schrott eine vollständige und zugleich wirtschaftliche Entfernung aller flüchtigen, meist öligen und russhaltigen Begleitstoffe aus dem Gichtgas erlaubt, um danach den anorganischen Staub zur Bleigewinnung herausfiltern zu können. Die Aufgabe wird erfindungsgemäss mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Mitteln gelöst. Danach ist in dem vorliegenden technischen Anwendungsfall einer Nachverbrennung, die erst bei Temperaturen oberhalb 800cm mit hinreichender Geschwindigkeit abläuft, eine rekuperative Wärmenutzung möglich, wenn die Brennzone in einem feuerfesten und chemisch inerten, zugleich aber gut wärmeleitenden Keramikmaterial ausgelegt ist. Die bei der Nachverbrennung freigesetzte Wärme wird ganz überwiegend durch Strahlung, nur in geringem MaBe durch Konvektion aus dem Brennraum an die Wand abgeleitet. Die erfindungsgemässe Vorrichtung stellt daher grundsätzlich einen Strahlungsrekuperator dar; indem jedoch der Wärmeaustausch in gleichzeitiger Wechselwirkung mit der eigentlichen Brennzone erfolgt, knüpft sich an diesen Vorgang ein zusätzlicher überraschender Effekt, welcher am treffendsten mit dem Ausdruck "Rekuperative Feuerung" umschrieben werden kann. Der Aufbau und die besondere Funktionsweise des Rekuperators gemäss der Erfindung sollen anhand von Figuren näher erläutert werden. Figur 1 zeigt einen erfindungsgemässen Strahlungsrekuperator im Längsschnitt. Figur 2 zeigt eine vorzugsweise Ausführungsform des Rekuperators nach Figur 1 im Querschnitt. Figur 3 zeigt Temperaturprofile für die Frischluft und das Gichtga bei erfindungsgemässer rekuperativer Feuerung über der Anlagenlänge. Der Strahlungsrekuperator 1 gemäss Figur 1 bildet den wesentlichen Teil der Nachverbrennungsanlage für das Gichtgas und ist vorteilhaft als Doppelrohr in konzentrischer Anordnung gestaltet, wobei zumindest das Innenrohr 2 aus solchem hochtemperaturfesten Keramikmaterial besteht, welches zugleich hochwärmeleitfähig ist. Das Aussenrohr 3 besteht vorzugsweise ebenfalls aus einer Keramik, jedoch muss dieses Rohrmaterial vor allem hitzebeständig und zugleich wärmeisolierend sein. Als Keramikmaterial ist insbesondere Siliciumcarbid, SiC, geeignet, welches geringe Mengen an üblichen Bindemitteln enthält. Der Aufbau eines Strahlungsrekuperators gemäss der Erfindung kann aus keramischen Bauelementen, beispielsweise Rohrsegmenten, mit den genannten Werkstoffeigenschaften geschehen. Ebenso ist aber auch eine keramische Ganzausführung nach Art eines Hohlblockziegels möglich, bei der profilierte Keramikplatten zu einer doppelwandigen Struktur entsprechend Figur 1 nach bekannten Verfahren der Keramikindustrie verbunden werden. Durch den vom Innenrohr 2 und vom Aussenrohr 3 gebildeten Ringspalt 4 strömt Frischluft (kleine Pfeile) nach oben und wird dabei durch das im Innenrohr abwärts strömende heisse Gichtgas (grosse Pfeile) vorgewärmt. Dem von oben her eintretenden, mit ca. 250-3000C verhältnismässig kalten Gichtgas wird die den Ringspalt verlassende Luft zugemischt. Gegebenenfalls wird zusätzlich durch einen Öl- oder Gasbrenner 5 als Stützfeuerung das Gichtgas aufgeheizt. Nachdem das Gasgemisch - auch als Rauchgas bezeichnet - in das Innenrohr eingetreten ist, verbrennen dort zunächst Eichtgasbestandteile, wie insbesondere CO und - nach Erreichen eines höheren Temperaturniveaus - auch die Crackprodukte. Anschliessend kühlen sich die Rauchgase unter Wärmeabgabe an die durch den Ringspalt strömende Luft ab. Erfindungsgemäss wird dieser Wärmeaustausch in vorteilhafter Weise geför dert, wenn man zwecks Oberflächenvergrösserung di o ..ö,iu des Innenrohres an der Grenze zum Ringspalt mit zur RoFw se parallellaufenden Rippen 6 versieht, wie es in Figur 2 engede@@s@ist. Anstelle der Rippen oder zusätzlich zu diesen können auch Nocken dem Aussenrohr innenseitig enge formt sein, die das Innenrohr abstützen und zentrieren. Dabei wird die Breite des Ringspalts vorteilhafterweise so dimensioniert, dass sich in ihm eine unter allen Betriebszuständen turbulente Strömung mit einer Reynolds-Zahl (Re) ausbildet, die mindestens bei 4000 liegen sollte. Nach Verlassen des Innenrohres können die Rauchgase - evtl. nach einer weiteren Abkühlung durch Zumischen von Luft - in die Filter zur Staubabscheidung eingeleitet werden. Bei der beschriebenen Gasführung durch die erfindungsgemässe Gichtgas Nachverbrennungsanlage hat sich nun überraschenderweise ergeben, dass bei genügender Baulänge ein Rückfluss von Wärme aus der im unteren Teil des Rekuperators stark vorgeheizten Luft in die Brennstrecke im oberen Teil des Rekuperators erfolgt. Dadurch wird die Verbrennung selbst sehr stark beschleunigt und findet auf einem weit kürzeren Wege statt als ohne diesen Effekt. Die Wirkungsweise der Nachverbrennungsanlage erschöpft sich also nicht in derjenigen eines gewöhnlichen rekuperativen Wärmetauschers, bei dem Wärme aus einem vollständig ausgebrannten Gas zurückgewonnen wird, um damit Luft aufzuheizen. Im erfindungsgemässen Fall nimmt vielmehr die Luft nur im unteren Teil der Vorrichtung Wärme auf und gibt sie im oberen Teil der Anlage zum erheblichen Teil durch Strahlungsübertragung in die dort noch kühlere Brennzone ab. Dadurch wird der aufsteigende Luftstrom bereits abgekühlt. Er besitzt beim Eintritt in das Innenrohr eine Temperatur von ca. 500oC, bringt Wärme in das Gichtgas ein und macht den Rest der rekuperativ gewonnenen Wärme nutzbar. Dies ermöglicht eine wesentliche Einsparung an Energiezufuhr durch eine Stützfeuerung. Der erfindungsgemässe einfache Aufbau der Vorrichtung bringt den wesentlichen Vorteil mit sich, dass der Wärmerückfluss aus der aufgeheizten Luft auf kürzestem Wege durch Strahlung in die Brennzone eingespeist wird, während nur die Restwärme der Luft dem kühlen Gichtgas zugeführt wird. Unter diesem Gesichtspunkt soll die Länge des Strahlungsrekuperators besonders günstig so dimensioniert werden, dass die maximale Temperatur des Reaktionsgases im Innenrohr und die maximale Temperatur der Luft im Ringspalt annähernd zusammenfallen. Der sich dank dieser "rekuperativen Feuerung" einstellende Brennzustand, bei dem Temperaturen bis ca. 12000C erreicht werden, hat die angestrebte vollständige Verbrennung aller teerartigen Crackprodukte zum Ergebnis. Dieser Erfolg konnte durch Verbrennung des Gichtgases allein mit Luft von Umgebungstemperatur nicht erreicht werden. Ausserdem ist zum Erreichen wenigstens der zur Verbrennung der Crackprodukte notwendigen Temperatur von ca. 8000C nach bisheriger Verfahrensweise in einer bestehenden Nachverbrennungsanlage der Einsatz von 47-50 kg Heizöl/to Werkblei erforderlich. Die erfindungsgemässe Gichtgas-Nachverbrennung mittels rekuperativer Feuerung kommt bei zugleich günstigerer Temperaturführung mit einem Heizölbedarf von vergleichsweise nur 10 -14 kg Heizöl/to Werkblei aus. Aus der Kurvendarstellung in Figur 3 ist der Temperaturverlauf im Luftstrom (L) und im zu diesem gegenläufigen Gasstrom ( aG) über der Länge 1 der Nachverbrennungsanlage ersichtlich. Dabei bezeichnet a den Längenabschnitt, über dem die Verbrennung der leicht reagierenden Bestandteile des Gichtgases wie z.B. CO erfolgt. Entlang b findet die Verbrennung der Crackprodukte statt, wobei man erkennt, dass sie erst bei ca. BDODC einsetzt und mit einem Temperaturanstieg bis ca. 1200ob endet. Bemerkenswert ist die mit dem Beginn des Streckenabschnitts b zusammenfal- lende höhere Rate des Temperaturanstiegs beim Gichtgas, die von der in das noch nicht verbrannte Gasgemisch zurückfliessenden Wärme ausgeht, die einerseits aus der Verbrennung der Crackprodukte und andererseits aus der Einstrahlung von Wärme aus der aufgeheizten Luft in die Brennzone herrührt Der nach dem Maximum von 41L einsetzende Abfall der Lufttemperatur entspricht der in die Brennzone eingespeisten Wärmemenge.

Claims: Patentansprüche 1. Schachtofen zur Verhüttung von Altblei, insbesondere Akkumulatoren schrott, welcher zur Eingabe von Rohmaterial und Zuschlägen Beschik kungsöffnungen, Winddüsen zum Einblasen von Verbrennungsluft, Ab stichöffnungen für das erschmolzene Werkblei und die Schlacke sowie eine Nachverbrennungsanlage für das beim Verhüttungsprozess entstehen de Gichtgas besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass im Gichtgasstrom ein Strahlungsrekuperator 1 mit Wänden aus hochtemperaturfestem Kera mikmaterial 2 angeordnet ist, in welchem das mit einer hinreichenden Menge der durch Wärmeaustausch vorgeheizten Verbrennungsluft ver mischte und ggf. mit Hilfe einer Stützfeuerung 5 gezündete Gichtgas einer rekuperativen Feuerung bei 800 -1200 C ausgesetzt ist. 2. Schachtofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strah lungsrekuperator 1 aus zwei konzentrischen Rohren gebildet ist, von denen das Innenrohr 2 aus hochwärmeleitfähigem keramischen Material und das Aussenrohr 3 aus hitzebeständigem und wärmeisolierendem keramischem Material besteht, und dass zwischen den konzentrischen Rohren ein Ringspalt 4 bleibt, in welchem die zur Verbrennung erforder liche Luft, vorzugsweise im Gegenstrom zum Gichtgas, vorgeheizt wird. 3. Schachtofen nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikmaterial des Innenrohrs 2 überwiegend aus Siliziumkarbid (SiC) besteht. 4. Schachtofen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand oberfläche des Innenrohrs 2 auf Seiten des zwischen diesem und . dem Aussenrohr 3 gebildeten Ringspalts 4 durch angeformte Rippen 6 vergrös sert ist. 5. Schachtofen nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der Aussenrohr-Innenseite Nocken vorgesehen sind, die das Innen rohr abstützen und zentrieren. 6. Schachtofen nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringspalt so dimensioniert ist, dass sich darin eine unter allen Betriebszuständen turbulente Strömung ausbildet, deren Reynolds-Zahl nicht unter 4000 liegt. 7. Schachtofen nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Strahlungsrekuperators so dimensioniert ist, dass die max. Temperatur des Reaktionsgases im Innenrohr und die max. Tempe ratur der Luft im Ringspalt annähernd zusammenfallen.

Inventors: NIKLAS, HANS, DR. DIPL.-CHEM.
Applicants: VARTA BATTERIE AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1985
Main classification: F27B1
IPC codes: F27B1, H01M10, C22B13, C22B7