本發(fā)明涉及用于還原熔融原料的方法，其中，將固體、熔融或氣體狀態(tài)的所述原料放置在至少部分感應(yīng)加熱的包含焦炭塊的床上，并且收集從所述焦炭床流出的經(jīng)還原的熔體，并排出廢氣。本發(fā)明還涉及一種用于實施這種方法的裝置，其包括用于容納焦炭塊的床的反應(yīng)器，和包含至少一個用于感應(yīng)加熱焦炭床的感應(yīng)線圈的感應(yīng)加熱器。

具體而言，待還原的熔融原料是礦石、粉塵、熔渣、來自熱解、氣化和燃燒的殘留物、熔體、漿料、esu(elektro-schlacken-umschmelz[電渣重熔體])熔渣成分(諸如，例如cao、caf2、al2o3)和/或金屬氧化物玻璃及待除氣的礦物熔體。

具體而言，本發(fā)明背景下的焦炭塊包括碳載體，諸如焦炭、無煙煤和石墨。根據(jù)本發(fā)明，有利的是，所述碳載體與高反應(yīng)性碳載體(諸如黑煤、褐煤或木炭、生物質(zhì)、無負載或負載活性炭)混合。

粉塵及熔渣、特別是廢料熔渣、切碎機輕質(zhì)部分、復(fù)合材料(例如，諸如經(jīng)涂布的鋁箔)、鋼渣以及來自有色金屬冶金及無機技術(shù)的熔渣含有多種金屬氧化物，在鋼渣的的情況下，熔渣中包含顯著量的重金屬氧化物。

已經(jīng)提出將液態(tài)熔體施加到適當?shù)倪€原金屬浴上，特別是含有溶解的碳作為還原劑的鐵浴，以還原所述不期望的金屬氧化物，特別是鉻、釩、鉬、鎢、鈷、錳、鉛、銅和鋅的氧化物，經(jīng)還原的金屬轉(zhuǎn)化為金屬熔塊或氣相。

然而，如果要有效地進行這種方法，大部分必須直接使用熔體狀的原始材料，以便利用熔體的熱量。

此外，在所有這些反應(yīng)中，熔渣與金屬浴處于平衡，并且由于平衡條件，重金屬根本不能完全還原到使得熔渣中殘余的氧化物保持在低于分析檢測限的水平。這尤其適用于鉻氧化物和釩氧化物，其以至少大于1,000ppm的量殘留在還原熔渣中。

由于金屬氧化物賦予玻璃相應(yīng)的顏色，玻璃(特別是玻璃熔體)僅在極微量重金屬氧化物從所述玻璃熔渣中定量地除去后，才可以制造為無色產(chǎn)品。

在這種情況下，at502577b1已經(jīng)提出將固體顆粒和/或熔體施加到至少部分感應(yīng)加熱的具有焦炭塊的床或柱上，并且收集流出的經(jīng)還原和/或除氣的熔體。

與已知的金屬浴相比，這種焦炭床具有高得多的還原潛力，并且熔融過程和還原均直接在焦炭床中和/或直接在焦炭塊上進行。

相應(yīng)的頻率為約50khz～100khz，這意味著由于集膚效應(yīng)，消耗的能量可能僅施加在焦炭床的外邊緣上。為了即使在填充床的中間也能充分地加熱焦炭床，需要高輸出，因為從感應(yīng)加熱的外周區(qū)域經(jīng)焦炭向中心的熱傳導(dǎo)僅是非常有限的。

一個缺點是焦炭床中逐漸形成的氣體成分與熔融原料的不期望的副反應(yīng)的發(fā)生。因此，所述方法只能以非常有限的方式用于原料的再生，特別是被重金屬、磷、堿金屬(特別是鋰)、二惡英、鹵素、有毒的有機化合物、激素或藥物殘留物污染的顆粒。

因此，本發(fā)明的目的在于以下述方式來改善上述類型的方法及裝置：避免上述缺點，固體物質(zhì)及熔體中可以很大程度地定量清除掉不期望的物質(zhì)，特別是能夠以特別簡單且有效的方式將多種重金屬氧化物消除到低于檢測限的水平。

根據(jù)第一方面，用于解決所述問題的本發(fā)明的方法主要包括使用焦炭床，所述焦炭床在內(nèi)部由管形元件界定，所述管形元件被加熱，并且反應(yīng)氣體經(jīng)由設(shè)置在管形元件中的多個排氣孔從焦炭床上除去。

還原劑可與熔融原料一起導(dǎo)入。優(yōu)選的還原劑包括煤粉、天然氣、烴、氫、一氧化碳和/或氨。還原劑優(yōu)選被吹入或吸入焦炭床。還可以使用焦炭大塊作為額外的還原劑。

優(yōu)選的是，排氣孔穿過管形元件的壁并且開向管形元件的內(nèi)部。

由于焦炭床在內(nèi)部由管形可加熱元件界定，因此不僅從外部而且從內(nèi)部也可以加熱焦炭床。這導(dǎo)致平滑得多的溫度梯度，并且避免了上述與集膚效應(yīng)相關(guān)的能量輸入不足的缺點。

同時，管形元件使其可以快得多地排出在焦炭填料中產(chǎn)生的反應(yīng)氣體。所有其他已知的豎爐構(gòu)思目前僅以逆流模式或直流模式運行，相反或平行地引導(dǎo)熔體和氣體流動。本發(fā)明首次提供在豎爐設(shè)計內(nèi)部垂直于熔體流動方向引導(dǎo)氣體。管形元件具有用于此目的多個排氣孔，其允許在反應(yīng)氣體出現(xiàn)的區(qū)域中直接徑向排出所述反應(yīng)氣體，從而避免與熔融原料的不期望的反應(yīng)。反應(yīng)氣體的直接排出具有實質(zhì)上增加焦炭床的反應(yīng)容量的額外效果。同時，由于焦炭體相內(nèi)減少的氣體體積，熔體流動在產(chǎn)出率上可得到顯著優(yōu)化。

此外，直接除去反應(yīng)氣體使化學(xué)平衡向期望方向上移動，其在反應(yīng)期間成分經(jīng)歷相變的情況下是特別有利的。

特別優(yōu)選的是，管形元件適配于焦炭床的幾何形狀。管形元件優(yōu)選具有圓形或矩形截面或兩者的組合。還優(yōu)選的是，管形元件為導(dǎo)電、可透氣和/或設(shè)置有鉆孔且耐高溫的物體。

管形元件以使得可以通過同一感應(yīng)加熱器來進行焦炭床和管形元件的加熱的有利的方式被感應(yīng)加熱。然而，必須對焦炭床和管形元件與感應(yīng)加熱器的感應(yīng)場的各種耦合頻率采取特殊防范。

因此，優(yōu)選的開發(fā)規(guī)定，設(shè)置用于感應(yīng)加熱焦炭床和管形元件的感應(yīng)加熱以不同頻率的交流電交替或同時運行。為了感應(yīng)加熱焦炭床，在此過程中需要較高的頻率。為了感應(yīng)加熱管形元件，需要較低的頻率。

觀察到焦炭床對于較低的頻率通透，使管形元件以高度的有效性與感應(yīng)場耦合。這使得可以在焦炭床中以高功率密度實現(xiàn)1,900℃以上的高溫。在優(yōu)選的方式中，管形元件由石墨制成，其中石墨體可能在面向焦炭床的一側(cè)具有不同于碳的涂層。特別是，其表面可以硅化，形成耐磨的sic表面。

取決于感應(yīng)加熱器的交流電頻率的選擇，焦炭填料中的不同粒徑部分可被耦合。各種粒徑具有其理想的共振頻率，較大的焦炭塊比較小的焦炭塊在較低的頻率耦合。由于焦炭床通常具有粒徑分布，所以選擇交流電頻率加熱焦炭床的所需部分。改變交流電頻率允許以有利的方式靶向耦合各個部分，從而確保焦炭床的整個徑向范圍內(nèi)的能量輸入。

在同步運行模式中，低頻率交流電優(yōu)選與一個或多個較高頻率調(diào)制。在交替運行模式中，優(yōu)選連續(xù)和交替地施加兩種以上不同的交流電頻率。

根據(jù)優(yōu)選的進一步開發(fā)，至少以第一頻率和第二頻率使用交流電。第一頻率優(yōu)選為2khz～10khz。第二頻率優(yōu)選為50khz～200khz，特別是75khz～130khz。

根據(jù)本發(fā)明的方法適合于處理一系列有問題的原料，特別是用于例如被諸如pb、cd、hg或zn等重金屬污染的有問題的顆粒物的再生。

為了解決本發(fā)明的潛在問題，根據(jù)上述類型的裝置的另一方面，本發(fā)明主要包括被設(shè)計成容納具有環(huán)形截面的焦炭床的反應(yīng)器，所述焦炭床在內(nèi)部由反應(yīng)器的管形元件界定，管形元件由適用于與感應(yīng)線圈的感應(yīng)場感應(yīng)耦合的材料(特別是石墨)組成，并且具有多個排氣孔以從焦炭床除去反應(yīng)氣體。

由于焦炭床和管形元件在不同頻率的感應(yīng)場耦合，所以根據(jù)優(yōu)選的進一步開發(fā)，感應(yīng)加熱器的電壓源包括至少一個具有控制單元的頻率轉(zhuǎn)換器或頻率發(fā)生器，其中頻率轉(zhuǎn)換器被設(shè)計成以不同頻率的交流電交替或同時運行感應(yīng)加熱器。

特別優(yōu)選的是，可以將控制單元設(shè)計成以至少第一頻率和第二頻率的交流電來運行感應(yīng)加熱器。第一頻率優(yōu)選為2khz～10khz，第二頻率優(yōu)選為50khz～200khz，特別是75khz～130khz。

根據(jù)另一個優(yōu)選的實施方式，用于吹反應(yīng)氣體的管道開向焦炭床中。

為了確保來自焦炭床的反應(yīng)氣體的有效排放，優(yōu)選的是，排氣孔穿過管形元件的壁并且開向布置或設(shè)置在管形元件內(nèi)部的排氣管道中。為了獲得橫跨整個焦炭床的一致的通風(fēng)，優(yōu)選的是，排氣孔以橫跨管形元件在圓周方向上排布的方式分布。特別是，排氣孔均勻分布。此外，排氣孔也可以沿軸向布置，即沿焦炭床的垂直方向分布。將排氣孔布置成彼此平行的多個水平列是有利的。

特別優(yōu)選的是，可以提供用于選擇性打開和關(guān)閉至少一部分排氣孔的裝置。這使氣體排放調(diào)節(jié)為使得反應(yīng)氣體根據(jù)各自的需求在最佳位置處排出的方式。

為了避免來自焦炭床的固體或液體成分與反應(yīng)氣體一起通過排氣孔排放，根據(jù)優(yōu)選的進一步開發(fā)，排氣孔在排氣管道的方向上以對角線方式向上延伸。

特別優(yōu)選的是，排氣孔具有含第一流動截面的第一區(qū)域和相鄰的第二區(qū)域，第二區(qū)域的流動截面小于第一區(qū)域的流動截面。這種布置在排氣孔的第一區(qū)域中產(chǎn)生反應(yīng)氣體的層流，而由于截面的減小，在第二區(qū)域中獲得紊流。紊流有助于使可能被卷入反應(yīng)氣體中的熔融顆粒與排氣孔的壁接觸以及彼此接觸。在這種情況下，被清掃的顆粒聚集，并且所得液滴沿排氣孔的壁流回反應(yīng)器室和/或焦炭床。

下面參照附圖中示出的示例性實施方式更詳細地解釋本發(fā)明。圖1示出了本發(fā)明的反應(yīng)器，圖2是用于排出反應(yīng)氣體的管形元件的截面的詳細視圖，圖3是用于將氣體吸入管形元件的鉆孔的可能的示例性實施例。

圖1中的本發(fā)明的反應(yīng)器由圍繞反應(yīng)器壁2引導(dǎo)的一個或多個感應(yīng)線圈1組成。在這種情況下的感應(yīng)線圈1和反應(yīng)器壁2優(yōu)選具有圓形、協(xié)調(diào)的截面。此外，可以優(yōu)選使用矩形截面或圓形和矩形截面的組合。管形元件和焦炭塊的體相材料4設(shè)置在用于排出反應(yīng)氣體3的反應(yīng)器壁2中。用于排出反應(yīng)氣體的管形元件5的幾何形狀優(yōu)選與反應(yīng)器的幾何形狀協(xié)調(diào)?？梢詫⒐腆w和/或熔融物質(zhì)導(dǎo)入感應(yīng)加熱的反應(yīng)器中。然后，借助于朝向氣體排出管3的出口的壓力差，所得反應(yīng)氣體經(jīng)由用于除去反應(yīng)氣體的管形元件5從焦炭塊的體相4中排出。在最簡單的實施方式中，例如金屬熔體和/或熔渣等剩余熔融物質(zhì)可以經(jīng)由排出口6從反應(yīng)器的內(nèi)部和焦炭塊的體相4中直接除去。

圖2示出了用于排放反應(yīng)氣體的管形元件5的可能截面。鉆孔7設(shè)置在用于從焦炭塊的體相4排出反應(yīng)氣體的管形元件5的管壁8中。鉆孔優(yōu)選以對角線方式布置為使得鉆孔從用于排出反應(yīng)氣體的管形元件5的外部向內(nèi)部向上延伸的方式。這使得從焦炭塊的體相4的反應(yīng)器體積進入管道內(nèi)部9的固體或熔融物質(zhì)最小化。用于排放反應(yīng)氣體的管形元件5的另一個實施方式具有模塊化設(shè)計。在這種情況下，任意數(shù)量的由鉆孔7和管壁8的節(jié)段組成的個體節(jié)段可以彼此上下布置，形成用于排放反應(yīng)氣體的管形元件5。用于排放反應(yīng)氣體的管形元件5的另外的實施方式具有模塊化設(shè)計，使得用于排放反應(yīng)氣體的管形元件5的多個個體節(jié)段彼此平行地引入到焦炭塊的體相4中。優(yōu)選的是，用于排放反應(yīng)氣體的各種管形元件5在焦炭塊的體相4內(nèi)具有處于不同水平的鉆孔7。其使反應(yīng)器優(yōu)化為使得焦炭塊的體相4內(nèi)的不同點處的不同反應(yīng)氣體可以被分別排出。因此，可以在焦炭塊的體相4中界定不同的反應(yīng)區(qū)域，由此反應(yīng)氣體可以獨立地排出?？梢岳缤ㄟ^設(shè)定各種溫度來界定各個反應(yīng)區(qū)域，例如，通過經(jīng)噴嘴從反應(yīng)器壁2的外部靶向施加反應(yīng)配對物。另一個實施方式是引入在管道內(nèi)部9由多個分開的體積組成的用于排放反應(yīng)氣體的管形元件5。用于不同反應(yīng)區(qū)域的鉆孔使來自焦炭塊的體相4的反應(yīng)氣體以限定且獨立的方式排放到管道內(nèi)部9的分開的體積中。

圖3是在用于排出反應(yīng)氣體的管形元件5的管壁8中的鉆孔7的可能實施方式的詳細視圖。鉆孔7優(yōu)選以對角線方式布置為使得鉆孔從用于排出反應(yīng)氣體的管形元件5的外部向內(nèi)部向上延伸的方式。此外，鉆孔7被分成具有不同尺寸的2段。導(dǎo)向外部的鉆孔部分10面向焦炭塊的體相4。其與直接導(dǎo)向管道內(nèi)部9的鉆孔內(nèi)部部分11相比具有更大的體積。由于鉆孔的外部部分10的更大體積，從焦炭塊的體相4吸入的反應(yīng)氣體的速度減小，可能仍然在氣流中的固體或熔融顆粒可下沉至鉆孔的外部部分10的下側(cè)，并且在那里流回至焦炭塊的體相4中。由于與鉆孔的外部部分10相比，鉆孔的內(nèi)部11的直徑減小，所以在鉆孔的內(nèi)部部分11有較高的氣體速度，并且優(yōu)選來自焦炭塊體相4的反應(yīng)氣體紊流混合。尚未沉積在鉆孔的外部部分10的任何固體或熔融顆粒優(yōu)選在鉆孔的內(nèi)部部分11的紊流區(qū)域中組合成更大的顆粒，然后，所述更大的顆粒在鉆孔的內(nèi)部部分11的下部被分離，并且可從那里流回至焦炭塊體相4中。鉆孔的外部部分10優(yōu)選被設(shè)計成因此圍繞用來排放反應(yīng)氣體的管形元件5旋轉(zhuǎn)對稱，同時鉆孔的內(nèi)部部分11在所選擇位置處以所選擇數(shù)量引入到鉆孔的外部部分10中。

圖標：

1感應(yīng)線圈

2反應(yīng)器壁

3反應(yīng)氣體的排放

4填充床

5用于排出反應(yīng)氣體的管形元件

6排出口

7鉆孔

8管壁

9管道內(nèi)部

10鉆孔的外部部分

11鉆孔的內(nèi)部部分