СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ ИЛИ РАСПЛАВЛЕННЫХ ВЕЩЕСТВ
METHOD OF PROCESSING SOLID OR MELTED SUBSTANCES

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу переработки или восстановления твердых или расплавленных веществ и/или пирофоров, в частности легких фракций, образующихся при измельчении, измельченных старых покрышек, содержащей масло окалины при прокатном производстве, полихлорированных дифенилов (РСВ), загрязненной бывшей в употреблении древесины, загрязненного извлеченного грунта (диоксины или фураны), остатков перегонки нефти и высушенного осадка сточных вод.
Уровень техники
Пыль и шлаки, в частности мусорные шлаки, легкие фракции измельчения, композитные материалы, как например, имеющая покрытие алюминиевая фольга, шлаки после выплавки стали, а также шлаки не черной металлургии и получающиеся при технологии неорганических материалов, содержат ряд оксидов металлов, причем в случае шлаков при выплавке стали в шлаке присутствует повышенное количество оксидов тяжелых металлов.
Для восстановления таких нежелательных оксидов металла и, в частности, оксидов хрома, ванадия, молибдена, вольфрама, кобальта, марганца, свинца и цинка уже предлагалось вводить жидкие расплавы в соответствующую восстанавливающую ванну расплавленного металла, в частности железа, которая в качестве восстановителя содержит растворенный углерод, причем восстановленные металлы переходят в зерна чистого металла. Но для рентабельного осуществления такого способа, по меньшей мере, требуется применение исходных материалов непосредственно в виде расплава, чтобы иметь возможность использовать ощутимое тепло расплава. При всех подобного рода окислительно-восстановительных реакциях шлак находится с расплавленным металлом в равновесии и по причине условий равновесия оксиды тяжелых металлов нельзя полностью восстанавливать способом, при котором остающиеся в шлаке оксиды были бы ниже аналитической границы обнаружения. Это относится, в частности, к оксидам хрома и ванадия, которые в восстановленном шлаке остаются в количествах, по меньшей мере, свыше 1000 частей на миллион.
Стекло и, в частности, расплавы стекла могут изготавливаться бесцветными только тогда, когда из них удаляются даже очень малые следы оксидов тяжелых металлов, так как оксиды металлов придают стеклу соответствующую окраску. Далее при переработкестекла или расплавов стекла по всем правилам нужна очистка, чтобы надежно удалить самые маленькие пузырьки газа, которые возникают также при процессах восстановления при элиминировании оксидов металлов. Это удается только при соответственно высокой температуре и при соответственно низких по вязкости расплавах, а также при относительно низких уровнях ванны, который все еще позволяет выход газов.
В этой связи в WO 2006/079132 уже предлагалось загружать твердые частицы и/или расплав на, по меньшей мере, частично индуктивно нагретый слой или в колонну с кусковым коксом и собирать стекающий восстановленный и/или дегазированный расплав. Такой коксовый слой по сравнению с известными ваннами расплавленного металла имеет существенно более высокий потенциал восстановления, причем, как плавление, так и восстановление осуществляется непосредственно в коксовом слое или непосредственно на кусках кокса. Недостатком при этом способе, правда, было то, что коксовый слой имеет относительно высокое содержание серы и способ должен осуществляться только при очень высоких индукционных частотах и таким образом при относительно высоких затратах на электрическое оборудование. Соответствующие частоты лежали в диапазоне от 50 до 100 кГц, что опять же вело к тому, что примененная энергия из-за поверхностного эффекта могла бы реализовываться только на наружном крае коксового слоя. Чтобы достаточно нагреть коксовый слой в середине засыпки были бы нужны большие мощности, так как перенос тепла из индуктивно нагретой краевой зоны в середину через слой кокса происходит только в очень небольшой мере. Известный способ имел, кроме того, тот недостаток, что кокс в ходе реакции восстановления постепенно расходовался и поэтому требовалось постоянное его дополнение, вследствие чего были необходимы требующие затрат мероприятия, связанные с дополнительным оборудованием. Проблемой при этом было, в частности, то, что при загрузке холодного кокса на раскаленную засыпку кокс распадался в мелкую пыль, так что больше не могла быть получена достаточная пористость засыпки, и приходилось мириться с высокими потерями давления.
Раскрытие изобретения
Целью изобретения является улучшение указанного способа в том отношении, что при устранении приведенных выше недостатков особенно простым и экономичным способом от большого количества оксидов тяжелых металлов могли бы освобождаться не только твердые вещества, но и расплавы, и, в частности, мог бы удаляться ряд оксидов тяжелых металлов до содержания ниже границы обнаружения, причем одновременно должно быть обеспечено полное дегазирование или полная очистка загружающихся или образовавшихся в ходе способа расплавов. В частности, должны иметься возможности простым способом перерабатывать проблемные вещества, такие как легкие фракции, образующиеся при измельчении.
2
Для решения этой задачи предложенный согласно изобретению способ заключается, в основном, в том, что твердые или расплавленные вещества загружаются на, по меньшей мере, частично индуктивно нагретое графитовое тело, вводятся восстановители, отличные от углерода графита и собирается стекающий восстановленный и/или дегазированный расплав, причем восстановители вводятся вместе с твердыми или расплавленными загружаемыми веществами и в качестве восстановителей используют природный газ, пыль бурого угля, углеводороды, водород, оксид углерода и/или аммиак, вводимые вместе с водяным паром, кислородом, СО, и/или галогенами или галогенводородами.
Благодаря тому, что восстановители больше не образуются самой индуктивно нагретой засыпкой, а вводятся, в частности, вместе с твердыми или расплавленными загружаемыми для переработки веществами или в качестве твердых или расплавленных загружаемых веществ или пирофоров, индуктивно нагретое графитовое тело совсем не расходуется или расходуется только в незначительной мере, вследствие чего можно полностью отказаться от требующих затрат устройств для досыпки. Благодаря тому, что графитовая засыпка, в основном не расходуется, становится возможным регулирование как осевых, так и радиальных градиентов параметров графита в засыпке. Например, для оптимизации температурных и касающихся потоков условий для получения соответствующих эффектов по месту оказывается влияние с помощью размера, формы, содержания кристаллов, а также электрической проводимости отдельных графитовых тел. В дополнение к уже упомянутым исходным материалам может также применяться окисленная, термически предварительно обработанная пыль сталелитейного производства. Свинец, галогены и щелочи удаляются при термической предварительной обработке вне реактора, вследствие чего из газообразных отходов предложенного согласно изобретению способа извлекается очень чистый цинк, при необходимости, в форме оксида.
Восстановитель вводится в качестве компонента твердых или расплавленных загружаемых для переработки веществ или вносится отдельно от загружаемых для переработки веществ.
Легкая фракция, образующаяся при измельчении, загружается на графит и газифицируется при температуре около 1500-2000°С. Благодаря высокой температуре и восстанавливающей атмосфере диоксины, фураны и РСВ могут тотчас разлагаться. Точно также может газифицироваться смола. Полученный пиролизный кокс газифицируется с помощью добавления водяного пара и/или кислорода. Возможно содержащаяся сера растворяется в виде сульфида кальция в соответственно подобранном шлаке. Металлические компоненты и шлаковые компоненты расплавляются и могут выпускаться отдельно. Полученный загрязненный газ отсасывается для обработки и там очищается. Благодаря введенным водяному пару и кислороду в качестве газифицирующего средства очищенный газ не разбавляется воздухом и поэтому не содержит оксидов азота (NOx).
2
Газ предпочтительно находит применение в качестве восстановительного газа в доменных печах или при прямом восстановлении, в качестве альтернативного горючего газа в печах клинкерного цемента, для различных металлургических (предварительный нагрев) печей, для прямого использования (например, в газовых двигателях) или для синтеза Фишера-Тропша за счет его высокого содержания Н.
За счет загрузки твердых частиц и/или расплавов на индуктивно нагретое графитовое тело и введения восстановителей, становится возможным обеспечить тепловую энергию необходимую для восстановления независимо от протекающих реакций восстановления. Графитовое тело может при этом быть образовано слоем, колонной или засыпкой кускового графита. В качестве альтернативы графитовое тело может быть образовано в виде графитового блока с пронизывающими каналами, отверстиями и т.п. Общим для этих вариантов исполнения является то, что между графитовыми кусками слоя, колонны или засыпки и соответственно в каналах или отверстиях графитового блока остаются свободные полости, в которых происходит реакция восстановления главным образом в газовой фазе. Восстановление в этих свободных полостях графитового тела может происходить мгновенно, причем благодаря высоким турбулентным и поверхностным силам там также осуществляется агломерация расплава. Механизм реакции может содержать как опосредованное восстановление оксида металла оксидом углерода до металла и диоксида углерода или водородом до металла и воды, так и прямое восстановление оксида металла углеродом до металла и оксида углерода. Диоксид углерода в свою очередь с помощью реакционноспособного углерода превращается в оксид углерода и образовавшаяся вода через реакцию конверсии водяного газа реагирует с углеродом с образованием водорода и оксида углерода.
Благодаря тому, что предложенный согласно изобретению способ позволяет раздельно обеспечивать необходимую тепловую энергию и вводить восстановители, может применяться большое количество различных восстановителей, причем фактически применяющийся восстановитель может выбираться в соответствии с требованиями восстановления и экономическими соображениями.
Графит, который обладает очень хорошей электрической проводимостью, соединяет уже при существенно более низких индукционных частотах и, в частности, при частотах свыше 0,5 кГц, так что приведенные выше недостатки в части электрических установок могут устраняться. Электрическая проводимость графита падает с увеличением температуры. Однако вследствие того, что уже при более низких индукционных частотах осуществляется соединение графита, предотвращается выраженный поверхностный эффект, так что затрачиваемая энергия может глубже проникать в поперечное сечение графитового тела и таким образом обеспечивать равномерный индуктивный нагрев. Индукционная частота при этом может свободно выбираться из широкого диапазона, так что также возможен выбор более высоких частот, чтобы сознательно получить более сильный поверхностный эффект. Это может быть полезным, если краевая зона нагревается так сильно, что из-за высокой вязкости газов в перегретой краевой зоне большая часть реакционных газов фокусируется в середине реактора, причем огнеупорный материал реактора вследствие обусловленной вязкостью минимизации обмена веществ защищается в краевой зоне. В то же время теплопроводность графита многократно выше теплопроводности кокса, так что дополнительно к равномерному индуктивному нагреву благодаря теплопроводности осуществляется выравнивание температуры по всему поперечному сечению графитового тела.
Согласно предпочтительному осуществлению настоящего изобретения способ может быть усовершенствован для достижения того, что твердые или расплавленные вещества и восстановители, отличные от углерода графита, а также при необходимости твердые или расплавленные загружаемые для переработки вещества засасываются в графитовый слой. Это может осуществляться благодаря тому, что по всей осевой длине графитовой засыпки регулируется градиент давления, который заставляет частицы и газы течь от конца загрузки засыпки к концу выпуска. Таким образом, становится возможным надежное применение предложенного согласно изобретению способа.
Если в соответствии с предпочтительной формой осуществления настоящего изобретения, в качестве восстановителя вводится угольная пыль или пыль бурого угля, то может достигаться во много раз более высокий потенциал восстановления по сравнению с потенциалом восстановления коксового слоя (см. WO 2006/079132 А1). Угольная пыль при попадании на или пропускании в свободные полости индуктивно нагретого графитового тела вместе с точно также введенным кислородом/водяным паром сразу превращается в оксид углерода и водород, вследствие чего обеспечивается очень эффективное восстановление исходных веществ. Другое преимущество заключается в том, что угольная пыль значительно дешевле кокса. Пыль бурого угля, которая повсеместно доступна по невысокой цене, особенно пригодна для осуществления предложенного согласно изобретению способа. При использовании бурого угля полностью решается проблема и исключаются затраты на удаление серы из газообразных отходов, с одной стороны, за счет того что по сравнению с очень чистой угольной пылью содержащая относительно большое количество посторонних веществ пыль бурого угля при пиролизе приводит к образованию большого количества летучих веществ, которые обладают высоким потенциалом восстановления, а с другой стороны за счет того, что относительно высокая доля серы, содержащаяся в пыли бурого угля, полностью переходит в шлаковую фракцию.
2
2
Способ предпочтительно усовершенствован для достижения того, что твердые восстановители вводятся с помощью газа-носителя и, в частности, азота, СO, О или воздуха. Это обеспечивает с одной стороны гомогенное распределение подлежащих восстановлению или расплавлению материалов на поверхности засыпки и с другой стороны предотвращает образование большого количества газа, благодаря чему предотвращается чрезмерный унос частиц из засыпки и ограничиваются потери давления в засыпке.
Согласно предпочтительному варианту осуществления способа газы могут вводиться в индуктивно нагретое графитовое тело настоящего изобретения, в частности, в слой или засыпку с кусковым графитом, вследствие чего окислительно-восстановительный потенциал графитового тела может регулироваться внутри широкого диапазона. Например, окислительно-восстановительный потенциал может быть нейтрализован для обеспечения возможности регулирования способа таким образом, что восстанавливаться будут только более благородные металлы из их оксидов, в то время как менее благородные металлы будут оставаться в расплаве. В то же время, такая подача газа в дополнение к регулированию окислительно-восстановительного потенциала позволяет также изменять температуру для повторной конденсации летучих веществ в соответствующих областях графитового тела. Температура графитового тела может регулироваться особенно простым способом с помощью изменения потребляющейся электрической мощности при индуктивном нагреве, так что с помощью простого и относительно небольшого реактора становится возможным полное регулирование способа за счет использования большого количества различных параметров. При соответствующих высоких температурах простым способом удается восстанавливать даже оксиды хрома и ванадия.
Загружаемые для переработки вещества предпочтительно могут загружаться непосредственно на раскаленное до красна графитовое тело, благодаря чему в ходе предложенного согласно изобретению способа при соответствующих высоких температурах благодаря относительно тонкому слою, достигается, например, быстрая дегазация или очистка стеклянных расплавов. В целом с индуктивно нагретым графитовым телом и, в частности, с индуктивно нагретым слоем или колонной с кусковым графитом без затруднений может достигаться температура 2000°С и больше. Использование кускового материала служит при этом в первую очередь тому, чтобы обеспечить необходимую проницаемость для газов и расплавов.
2
2
2
Согласно предпочтительной форме осуществления настоящего изобретения способ усовершенствован тем, что графит применяется в форме шариков, цилиндров, блоков, гранулированных формованных зерен и/или лома электродов. Благодаря подходящему выбору геометрической формы, в которой графит присутствует в засыпке, плотность засыпки и таким образом ожидаемые потери давления могут быть адаптированы к соответствующим требованиям. Особенно благоприятной по стоимости и очень подходящей по геометрии формой является применение графита в форме бывших в употреблении электродов и бывших в употреблении графитовых катодов электролиза алюминия (отработанная футеровка электролизера) применимых при производстве электролитической стали. Отработанная футеровка электролизера, содержащая до 15% щелочей и до 1% CN (цианид), представляет собой бывшие в употреблении графитовые электроды из первичного производства алюминия и представляют огромную проблему, связанную с утилизацией отходов, по всему миру. При использовании отработанной футеровки электролизеров при температуре >900°С происходит разложение цианида (HCN→H+С+N), а щелочи переходят в образующийся шлак. При использовании водяного пара NaCN из отработанной футеровки электролизеров переходит в NaO шлака в соответствии со следующим уравнением:
2
2
NaCN+HO→NaO+HCN
Размер графитовых тел лежит при этом в диапазоне примерно от 5 мм до примерно 5 см в диаметре.
Графитовые тела в предпочтительном варианте могут также быть образованы из смеси графита и катализаторного порошка, которая была спрессована и при необходимости спечена, чтобы придать засыпке специальные каталитические свойства и приспособить ее к соответственно возникающим химическим и физическим требованиям процесса. В этой связи согласно предпочтительной форме осуществления настоящего изобретения также возможно формовать графитовые тела с соответствующими солями и/или металлами или керамикой для регулирования электрической проводимости.
Чтобы оптимально отрегулировать свойства пропускания потоков графитовой засыпкой или колонной, предложенный согласно изобретению способ усовершенствован тем, что при получении графитовых тел регулируют их микропористость. Предложенный согласно изобретению способ предпочтительно осуществляется таким образом, что индуктивное нагревание осуществляется путем подачи тока с двумя различными частотами, причем выбирается низкая и высокая частота. Высокая частота предпочтительно находится в диапазоне от 3 до 15 кГц и служит для индуктивного нагревания графита. Низкая частота предпочтительно лежит в области ниже 0,5 кГц и создает на графитовых телах силу Лоренца, благодаря которой они приходят в движение. Вследствие этого горячий восстановленный загруженный материал перемешивается графитовыми телами благодаря воздействующему на них электродинамическому импульсу. Этот перемешивающий эффект значительно ускоряет реакции за счет массопереноса/теплообмена.
Для предотвращения образования токопроводящих мостиков у прилегающих друг другу кусков графита и возникающих за счет этого тепловых потерь способ предпочтительно осуществляется таким образом, что графитовое тело вводится в виде засыпки из смеси графита и инертных насадочных тел, в частности каталитически активных тел, содержащих СаО или MgO. Инертные насадочные тела в значительной степени препятствуют прямому контакту между отдельными кусками графита, благодаря чему каждый кусок графита образует отдельную нагревательную ячейку.
2
2
Предпочтительным образом предложенный согласно изобретению способ осуществляется так, что вместе с загружаемыми веществами загружают содержащую Zn пыль сталелитейных заводов для связывания серы (ZnO+HS→ZnS+HO).
2
3
Устройство для переработки или восстановления твердых или расплавленных веществ и/или пирофоров, в частности легких фракций образующихся при измельчении, снабжено загрузочным отверстием для твердого или расплавленного материала и выпускным отверстием для обработанного расплава. Подобного рода устройства, в основном содержат трубообразный или желобоподобный корпус, содержащий графитовое тело и окружающее корпус нагревательное устройство для индуктивного нагрева графитового тела, содержащее, по меньшей мере, одну индукционную катушку. Для регулирования окислительно-восстановительного потенциала или для местного охлаждения конструкция предпочтительно выполнена так, что к корпусу присоединены трубопроводы для подвода газов. Особенно простым образом конструкция может быть выполнена так, что трубообразный корпус образован из электрически изолирующего материала, такого как АlО или MgO, или, по меньшей мере, электрически изолирующей фольги или мата и окружен охлаждаемой индукционной катушкой. Такая электрически изолирующая фольга может, например, образовываться стойкими к высокой температуре хром-корундовыми матами, причем в начале механическая устойчивость достигается благодаря охлаждаемой водой индукционной катушке. При загрузке расплавленного материала или при образовании расплавов электрически изолирующая фольга быстро покрывается шлаком или расплавом, поскольку индукционную катушку соответственным образом охлаждают, вследствие чего механическая устойчивость колонны значительно улучшается и одновременно полностью исключается проблема с огнеупорным материалом. Однако также возможно помещать индукционные корпуса с помощью заливки в огнеупорную массу, так что индукционные корпуса могут принять на себя механические свойства. Огнеупорная масса при этом может состоять из магнезита, шпинели или корунда, а также огнеупорного бетона.
Чтобы иметь простую возможность посекционно изменять температуру графитового тела, в частности, слоя или колонны с кусковым графитом, конструкция предпочтительно выполнена так, что индукционная катушка в осевом направлении трубообразного корпуса разделена на несколько секций, причем предпочтительно, что для следующих друг за другом секций трубообразного корпуса предусмотрены отдельные устройства для измерения температуры и/или устройства для измерения потребления мощности за счет чего температура и окислительно-восстановительный режим в отдельных секциях может регулироваться с помощью регулирования электрической мощности и/или подлежащих введению газов и/или объемов вводимого газа.
Устройство выполнено таким образом, что аксиально после восстановительной зоны, находящейся в области нагревательного устройства, расположена успокоительная зона. В этой зоне продукты реакции, образовавшиеся в зоне реакции, перемешиваются и агломерируются в виде капель расплава, так что образуется гомогенный газообразный продукт. Успокоительная зона при этом предпочтительным образом имеет такие размеры, что длина по оси успокоительной зоны составляет от одного до двух диаметров имеющего форму трубы корпуса, благодаря чему достигается достаточное перемешивание газов и в то же время имеющиеся в газовой фазе твердые частицы все еще могут переводиться в расплав. Для снижения скорости потока диаметр реактора предпочтительно реализуется в этой области.
Ниже изобретение более подробно поясняется с помощью примеров осуществления устройства, схематически представленных на чертежах. Из них фиг.1 показывает конструкцию реактора для размещения графитовой колонны для осуществления способа согласно данному изобретению, фиг.2 показывает другую конструкцию реактора, на фиг.3 представлена технологическая схема способа, которая иллюстрирует интеграцию предложенного согласно изобретению способа в промышленное применение, фиг.4 показывает предпочтительное исполнение загрузочного устройства и фиг.5 показывает предпочтительную форму осуществления приспособления для загрузки большого количества исходной пыли.
2
На фиг.1 показан реактор 1, содержащий графитовый слой или графитовую колонну 16, который включает цоколь 2 и корпус 3. Корпус 3 сужается конически в верхней области расположенной рядом с загрузочным концом для твердых частиц или расплавов и образует при этом диффузор для загружаемых частиц и содержит загрузочное устройство для пыли, шлаков, расплавов и/или шламов или содержащих оксиды металлов стекол, причем загрузочное устройство в этом случае, в основном, образуется дозирующим циклоном 4, которому с помощью шнекового транспортера 5 подводятся подлежащие восстановлению или дегазации материалы, причем подлежащие восстановлению материалы при необходимости, смешанные с восстановителем или с добавками, такими как, например, SiO, содержатся в запасе в загрузочной воронке 6. При этом дозирующий циклон осуществляет работу с инертным газом, таким как, например, азот, причем дополнительно может быть предусмотрена регулируемая в аксиальном направлении фурма 7 для подачи угольной пыли. Подобного рода дозирующий циклон, например, описан в WO 03/070651. В осевой области корпус 3 окружен индукционной катушкой 8, с помощью которой индуктивно нагревается графитовая засыпка 16. К области корпуса 3, имеющей индукционную катушку 8, примыкает следующая за ней успокоительная зона 9, в которую тепловая энергия не подается и, которая, таким образом, служит в качестве зоны успокоения и перемешивания после реакции. Позицией 10 обозначено вытесняющее тело, которое в самом простом случае служит для того, чтобы оставлять свободной сердцевинную область графита, которую может быть трудно нагреть и которое может служить для оптимизации регулирования потоков. Кроме того, через вытесняющее тело можно подавать дополнительные газы или снабдить вытесняющее тело дополнительными индукционными телами.
В камере 11 происходит отделение реакционных газов от металлического расплава, причем газы могут отводиться через отверстие 12, а расплав стекает через выпускное отверстие 13. Позицией 14 обозначено отверстие, через которое может обновляться графитовая засыпка 16 путем добавки, например, графитовых шариков или лома электродов. По осевой длине, т.е. в продольном направлении оси 15 реактора, с помощью подачи газов и с помощью регулирования температуры может регулироваться как окислительно-восстановительный градиент, так и температурный градиент, в результате чего может успешно достигаться то, что в области выпуска 13 образуются выпускаемые шлаки и металлы, не содержащие оксидов железа и оксидов тяжелых металлов, а также предотвращаются проблемы, связанные с огнеупорностью в этой области.
Стенка корпуса 3 реактора 1 может быть образована огнеупорной фольгой, которые в ходе расплавления или отекания расплава смачиваются расплавом, который образует соответствующее покрытие из шлака или расплава. Катушка 8 образована в виде охлаждающегося водой медного проводника и обеспечивает соответствующее охлаждение стенки что приводит к образованию слоя покрытия, состоящего из шлака или расплава.
Между загрузочным устройством 4 и графитовым телом 16 может быть расположена зона 17 предварительного сгорания или предварительного нагрева, в которую может входить, по меньшей мере, один трубопровод (не показан) для подачи энергоносителя и/или окислительного газа для предварительного сгорания или предварительного нагревания.
2
Последующее сгорание в конце загрузки/конце выпуска и в графитовой колонне, при котором сжигается СО с превращением в СO, принципиально возможно и ведет к повышению эффективности благодаря введению тепла. И без того очень инертная поверхность графитовой засыпки при этом частично покрывается расплавом шлака, так что реакция Будуара с углеродом графита в значительной мере подавляется.
2
2
3
2
2
Металлический расплав, образованный в графитовой колонне, может кроме того насыщаться углеродом с помощью угольной пыли или образовывать в ванне расплавленного металла диспергированные карбиды такие, как, например, карбиды металлов: железа, ванадия, хрома или вольфрама. Принципиально удается восстанавливать хром с помощью относительно коротких графитовых колонн из шлаков до концентрации ниже 60 частей на миллион. В частности, при «третичных шлаках», которые применяются при способе «электрошлакового переплава» для изготовления высокосортных конструктивных и инструментальных сталей, чистоте шлаков придается самое большое значение. Шлак состоит, в основном, на треть (по весу) из CaF (плавиковый шпат), на треть из СаО (негашеной извести) и АlО (корунда), а также в некоторых случаях из MgO, SiO и подобного. Для получения этих шлаков предложенный согласно изобретению способ особенно пригоден, так как примеси Н, Р, S, N, С, Pb, Bi, CN, Na, К и В могут удаляться особенно эффективно. В настоящее время эти шлаки получаются плавкой ультрачистых исходных веществ в электродуговых печах. Однако очень высокая температура (около 8000°С, плазма) в дуговых печах и материал электродов (графит) вызывают очень нежелательное науглероживание и образование карбида Са и Аl, а также частично сульфуризацию остаточной серой из графитовых электродов. Аналогично в этих шлаках растворяется азот воздуха. Возможные другие примеси также остаются в произведенном шлаке.
В противоположность этому предложенный согласно изобретению способ предлагает ряд преимуществ:
- существенно более низкие температуры, равномерно распределенный, хорошо регулируемый уровень температуры, никаких пиков температуры (индуктивно нагретый слой графитовых тел),
- восстановление с частичным улетучиванием нежелательных элементов благодаря добавке ультрачистой «углеродной сажи», отсюда существенно более благоприятная ситуация с исходным материалом,
- возможность «регенерации» бывшего в употреблении третичного шлака с помощью предложенного согласно изобретению восстановления, предотвращение образования чрезвычайно дорогих свалок отходов, вторичное использование весьма ценных легирующих компонентов таких как Ni, Cr, V, W, Мо, Та и подобного,
- отсутствует образование мостиков загруженного материала в реакторе, так как он засасывается в графитовый слой; (это большая проблема при изготовлении в электропечах: «образование шапок» из неоднородно расплавленного материала),
- непрерывный, очень экономный процесс плавки, небольшой объем реактора (электропечь работает в периодическом режиме),
- отсутствие проблем с огнеупорами, так как отсутствует какой-либо контакт шлака с огнеупорным материалом в индукционной зоне,
- высокий коэффициент полезного действия преобразования электрической энергии в теплоту, очень низкие тепловые потери в сравнении с электродными печами,
2
2
2
2
- минимально возможное количество газообразных отходов, всасываемый газ предпочтительно инертный благородный газ такой как аргон или азот или также реакционноспособные газы предпочтительно F, но также HO, Cl, O или их смеси.
В принципе могут применяться жидкие шлаки различного происхождения, причем из всех их самым простым способом могут восстанавливаться оксид никеля, оксид железа, оксид фосфора, оксид цинка, оксид свинца, оксид марганца, оксид меди, оксид ванадия и оксид хрома. Благодаря высокой электрической проводимости графита достигается высокая степень эффективности энергии, причем благодаря, по существу, инертному поведению углерода графита даже при высокой температуре сохраняется высокая стабильность.
На фиг.2 также показан реактор 1, который содержит графитовую колонну 16. В отличие от реактора, показанного на фиг.1, в этом реакторе в осевой области предусмотрена успокоительная зона, образованная в виде агломеризационной зоны 18, в которой благодаря непрерывному увеличению поперечного сечения реактора в направлении выпускного конца достигается уменьшение скорости газа. Благодаря этому удается агломерировать и удалять из газовой фазы частично содержащиеся в взвеси восстановленные частицы расплава с помощью уменьшения воздействующих на них сдвигающих сил. Позицией 19 в этом реакторе обозначена огнеупорный слой, который служит опорным сводом для лежащих над ним графитовых тел или лежащей над ним графитовой засыпки. В области огнеупорного слоя 19 поперечное сечение выпускного конца снова уменьшается, вследствие чего уже агломерированные частицы расплава приближаются друг к другу, стимулируя дальнейшую агломерацию.
На фиг.3 реактор также обозначен позицией 1, причем позицией 20 обозначен резервуар или бункер, в котором содержатся подлежащие восстановлению исходные материалы. Через шлюзовой затвор 21 различные исходные материалы могут регулируемо подаваться в смеситель 22, из которого смесь исходных материалов через другой шлюзовой затвор 23 и транспортирующее устройство 24 может подаваться к загрузочной воронке 6 реактора 1. На выпускном конце реактора шлаки и расплав металла выпускаются, а горячие газообразные отходы подают в теплообменник 25, в который подводится вода. В теплообменнике в результате реакции конверсии водяного газа образуется высококачественный восстановительный или горючий газ, содержащий оксид углерода и водород. При этом также возможно превратить еще имеющийся Zn-пар в ZnO с образованием водорода путем добавки воды/пара. Образующиеся газообразные отходы направляют в пылеуловитель 26, в котором осаждается возможно еще присутствующая вторичная пыль, так что через выпускной трубопровод 27, например, к печи для получения клинкера или восстановительной печи может подводиться чистый горючий газ. Через шлюзовой затвор 28 вторичная пыль может отводиться из пылеуловителя.
На фиг.4 шлюзовой затвор для загрузки пыли исходных материалов обозначен позицией 29, причем пыль исходных материалов может подаваться в реактор 1 вместе с носителями углерода, которые могут находиться в твердой или газообразной форме. Шлюзовой затвор 29 открывается в подводящую трубу 30, которая проходит через корпус 3 реактора 1. Подводящая труба 30 направлена на установленное с возможностью вращения имеющее форму гриба распределительное тело 31, которое на фиг.4 показано в разрезе. Видно, что на распределительном теле 31 расположены канавки 32, которые захватывают подведенную пыль исходных материалов и по которым пыль исходных материалов направляется вниз в направлении графитовой засыпки 16. В зависимости от скорости вращения распределительного тела 31 пыль отбрасывается на различное расстояние от центра реактора 1 на периферию реактора 1, так что профиль нанесенного слоя исходных материалов на графитовую засыпку может регулироваться простым способом.
На фиг.5 позицией 33 обозначены два шлюзовых затвора, через которые удается подавать относительно большое количество пыли исходных материалов на графитовую засыпку 16. Позицией 34 при этом обозначены нисходящие стояки, которые под подходящим углом направлены на поверхность графитовой засыпки 16. Позицией 35 обозначено вытесняющее тело, которое при необходимости может быть нагрето, чтобы получить оптимальное распределение температуры в графитовой засыпке 16. В области отверстия 12 вытесняющее тело 35 поддерживает графитовую засыпку и благодаря периодическим колебаниям вытесняющего тела 35 может оптимизироваться выпуск, причем в то же время происходит разрыхление графитовой засыпки 16 и при необходимости образовавшие затор области графитовой засыпки 16 снова становятся проходными.