CH692927A5 - Vorrichung und Verfahren zur thermischen und thermochemischen Behandlung von metall- und kohlenstoffhaltigen Materialien unter Nutzung von externer Wärmestrahlung als Prozesswärme. - Google Patents

Description

  



  Diese Erfindung betrifft die Vorrichtung und das Verfahren für die thermische und thermochemische Behandlung von metallhaltigen und/oder kohlenstoffhaltigen Materialien zur Gewinnung von Metallen und/oder zur Produktion von Synthesegas und/oder zur Entgiftung und/oder Verglasung mittels endothermer Prozesse bei hoher Temperatur unter Nutzung von Strahlungsenergie einer externen Quelle als Prozesswärme. 



  In thermischen Hochtemperaturprozessen werden heute Drehrohröfen breit angewandt. Charakteristisch ist dabei, dass die Prozesswärme indirekt durch die Ofenwand zugeführt wird, oder im Ofen selbst durch interne Verbrennnung von Brennstoffen erzeugt wird. 



  Bei der vorliegenden Erfindung, wie im Folgenden dargestellt, enthält der Ofen ein transparentes Fenster, durch welches das Rohmaterial direkt von einer externen, konzentrierten Strahlungsquelle, vorzugsweise Solarenergie, bei kontrollierter Atmosphäre erwärmt wird, um die notwendige Prozesswärme zuzuführen. Dabei wird das Rohmaterial durch die Rotation der Ofeninnenwand von dabei hervorgerufenen Zentrifugalkräften an der Innenwand gehalten. Dies führt dazu, dass die Innenwand vor thermischer Belastung geschützt wird und durch die Form als Kavität einen effizienten Wärmeübergang auf das Rohmaterial erlaubt. 



  Ein Beispiel eines Verfahrens, um diese Vorrichtung zu betreiben ist die thermische Reduktion von Zinkoxid zur Produktion von Zink. Metallisches Zink ist ein vielfältig verwendbares Material. Zink eignet sich jedoch auch als fester Brennstoff, da seine Handhabung an Luft problemlos ist. Zink ist ein Metall, mit welchem einerseits in Zn/Luft-Batterien oder in Brennstoffzellen direkt Strom erzeugt werden kann; anderseits reagiert Zink mit Wasser und kann in einem Wasserspaltungs-Reaktor hochreinen Wasserstoff produzieren, wobei der Wasserstoff weiter in Wärme und Elektrizität umgewandelt werden kann. Das chemische Produkt dieser beiden stromerzeugenden Prozesse ist Zinkoxid, welches wieder reduziert und rezykliert werden muss.

   Konventionell wird Zink durch carbothermische oder elektrolytische Reduktion von Zinkoxid gewonnen; es handelt sich dabei um energieintensive Prozesse, die bei hohen Temperaturen ablaufen und grosse Mengen an Treibhausgasen in die Atmosphäre freisetzen. Diese Emissionen können signifikant reduziert werden, wenn eine saubere Energiequelle, zum Beispiel konzentrierte Solarenergie, als Energiequelle für die Hochtemperatur-Prozesswärme benutzt wird. Auf diese Weise kann Sonnenstrahlung, die unregelmässig in spärlich bewohnten Wüstengegenden anfällt, durch thermochemische Transformation effizient in speicherbare und transportable chemische Brennstoffe umgewandelt werden. 



  Ein alternativ mögliches Verfahren, um diese Vorrichtung zu betreiben, besteht in der thermochemischen Behandlung von metallhaltigen und/oder kohlenstoffhaltigen Materialien. Feste Sonderabfälle, wie zum Beispiel Verbrennungsrückstände, verbrauchte Batterien, kontaminierte Schrottteile, verseuchte Böden, Filterstäube, metallhaltige Klärschlämme sowie andere Abfallprodukte enthalten toxische Bestandteile, die nicht in die Umgebung entsorgt werden dürfen. Sie werden üblicherweise in einer auslaugbeständigen Schlacke vitrifiziert und dann in Sondermülldeponien gelagert. Beschränkter Lagerraum, steigende Lagerkosten und strenge Umweltvorschriften erfordern jedoch dringend notwendig Technologien, die diese giftigen Materialien in nützliche Stoffe rezyklieren, anstatt sie für eine unbestimmte Zeit zu deponieren.

   Die chemische Umwandlung dieser Materialien in elementare Komponenten bietet die Möglichkeit, Abfall in wertvolle Rohstoffe zum Beispiel für Prozesse in geschlossenen Stoffkreisläufen umzuwandeln. Thermische Prozesse eignen sich bestens für die Behandlung von komplexen, festen Sonderabfällen. Abfallmaterialien, die Kohlenstoffverbindungen enthalten, können durch thermische Pyrolyse und Vergasung in Synthesegas und Kohlenwasserstoffe umgewandelt werden, aus denen wiederum Wasserstoff, Ammoniak, Methanol und andere wertvolle synthetische Chemikalien gewonnen werden können. Abfallmaterialien, die Metallverbindungen enthalten, können durch karbothermische Reduktion in Metalle, Metallnitride und Metallkarbide umgewandelt werden, welche wiederum zu flüssigen Brennstoffen wie Wasserstoff und Kohlenwasserstoffe verarbeitet werden können.

   Auf diese Weise können chemische Produkte hergestellt werden, die als Grundlage für verschiedene Herstellungsprozesse oder als Brennstoffe in der Verbrennung/ Brennstoffzellen dienen. Das Rezyklieren erfordert energieintensive Prozesse bei hohen Temperaturen. Es besteht jedoch die zwingende Notwendigkeit, saubere Technologien für die nachhaltige Behandlung und Rezyklierung von Abfallmaterialien zu entwickeln, wobei keine unerwünschten Nebenprodukte entstehen dürfen. Die üblichen Rezyklierungstechniken mittels Hoch-, Induktions-, Lichtbogen- und Plasmaöfen weisen einen hohen Energieverbrauch und starke Umweltverschmutzung auf.

   Im Besonderen sind Prozesse zur Metallgewinnung aus Metalloxiden grosse Verbraucher von Hochtemperaturwärme und tragen deshalb hauptsächlich zum Ausstoss von CO2 und anderen Schadstoffen bei, welche bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe für die Wärme- und Stromproduktion entstehen. Der Brennstoffverbrauch könnte in hohem Masse verringert werden, wenn fossile Brennstoffe ausschliesslich zur chemischen Reduktion verwendet würden und die Prozesswärme von einer sauberen Quelle geliefert würde, z.B. Solar-energie. Konzentrierte Solarstrahlung kann thermische Energie über 2000 K liefern, um solche endotherme Prozesse zu betreiben. Die Vorteile sind: 



  - Der Ausstoss von Treibhausgasen und Schadstoffen, die bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe für die Wärme- und Energieproduktion entstehen, wird weit gehend vermieden. 



  - Die chemischen Produkte sind sauberere und höherwertigere Brennstoffe als zu Beginn, weil das Zuführen von Strahlungsenergie, z.B. konzentrierte Solarstrahlung, ihren Energiegehalt vergrössert. 



  Die Verwendung solarer Wärme für das Rezyklieren von Abfall wird ferner mit thermodynamischen Argumenten gerechtfertigt. Der Gebrauch solarer Energie bei hohen Temperaturen macht es möglich, hohe Wirkungsgrade für die Energieumwandlung zu erreichen. Hohe Wirkungsgrade haben einen direkten Bezug zur Senkung der notwendigen Heliostatenfläche und ihrer Kosten. Unter der Annahme, dass die negativen Kosten für die Rohmaterialien, die vermiedenen Deponierungskosten und die externen Umweltkosten bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe (wie z.B. Kosten für die Verminderung des CO2-Ausstosses und der Schadstoffe) berücksichtigt werden, hat die Rezyklierung von Abfallmaterialien mit solarthermischer Technologie langfristig positive wirtschaftliche Aussichten. 



  Eine bevorzugte beispielsweise Ausführungsvariante einer derartigen Vorrichtung wird nun im Nachfolgenden anhand eines ausgeführten Beispieles und unter Bezug auf die beigefügte Figur näher erläutert. Ebenfalls soll anhand dieser Figur ein Beispiel einer erfindungsgemässen Behandlung des entsprechenden Rohmateriales beschrieben werden. 



  Dabei zeigt: 



  Fig. 1: Im Längsschnitt eine bevorzugte Ausführungsvariante eines Ofens zur thermischen und thermochemischen Behandlung von metallhaltigen oder kohlenstoffhaltigen Materialien unter Nutzung von externer Strahlungswärme, vorzugsweise Sonnenenergie. 



  Der in Fig. 1 im Längsschnitt dargestellte Ofen besteht aus einem transparenten Fenster (1), durch das konzentrierte Strahlungsenergie über einen Sekundärkonzentrator (2) in eine innere, aus einem hitzebeständigen Material hergestellten, drehbare Kammer (3) fokussiert wird, und einer zweiten, geschlossenen Hülle (4), die diesen Innenraum hermetisch abschliesst. Die innere Kammer ist an ihrer hinteren Seite an einer hohlen Welle (5) gelagert und kann mit einem Kettenantrieb (6) in Rotation versetzt werden. Die Zuführung der Rohmaterialien erfolgt kontinuierlich mit einem Schneckenförderer (7) durch die Hohlwelle der inneren Kammer. Die Drehzahl der inneren Kammer wird so gross gewählt, dass die Rohmaterialien (8) durch die hervorgerufenen Zentrifugalkräfte an die Wandung gedrückt werden und mitrotieren.

   Das Rohmaterial ist so direkt der externen Strahlungsquelle ausgesetzt, was einen effizienten Wärmeübergang erlaubt. Die absorbierte Energie wird genutzt, um das Rohmaterial auf die notwendige Temperatur aufzuheizen und um die Prozesswärme zu liefern. Dabei dient das Rohmaterial für den Prozess auch als Isolationsmaterial und schützt so die Wand der inneren Kammer vor thermischer Beanspruchung. Die Hohlwelle und die Wälzlager (9) der inneren Kammer werden aktiv (10) gekühlt. Die Durchführung der Hohlwelle durch den hinteren Dichtungsflansch (11) ist als Labyrinthdichtung (12) ausgeführt, wobei ein Sperrgas das Eindringen von Umgebungsluft verhindert und die Hohlwelle an dieser Stelle kühlt. Ein Auslasskanal (13) verbindet den Innenraum des Ofens mit einer Quenchvorrichtung (14), in der die gasförmigen Produkte rasch abgekühlt und gesammelt werden können.

   Zwei Infrarotsensoren (15) erlauben eine Überwachung der Wandtemperatur der rotierenden Kammer. Der Sekundärkonzentrator sowie alle Dichtflansche sind aktiv gekühlt (16). Regelbare Gasströme (17) zwischen der inneren Kammer und der äusseren Hülle, am Ausgang des Sekundärkonzentrators und im Bereich des transparenten Fensters sowie verschiedene Temperaturmessstellen erlauben die Überwachung und Kontrolle des Prozesses. 



  Zum Betrieb eines solchen Ofens und der oben beschriebenen Prozesse ist ausserdem eine Konzentratoreinrichtung zum Konzentrieren von Strahlungsenergie vorgesehen, wie beispielsweise von Sonnenenergie, welche so in Bezug auf den Ofen anzuordnen ist, dass die konzentrierte Strahlung durch das transparente Fenster in die rotierende Kammer fokussiert werden kann.

Claims (11)

1. Ofen zur thermischen und thermochemischen Behandlung von metallhaltigen und/oder kohlenstoffhaltigen Materialien, dadurch gekennzeichnet, dass die Ofenkammer als rotierende Kavität ausgeführt ist, die das Rohmaterial unter kontrollierter Atmosphäre enthält und von einer nicht rotierenden Hülle umgeben ist, die über ein transparentes Fenster verfügt und es erlaubt, das Rohmaterial mittels Strahlungsenergie einer externen Quelle auf die notwendige Temperatur zu erwärmen sowie die Prozesswärme zuzuführen.

2. Ofen gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Quelle der Strahlungs-energie in Form von konzentrierter Solarenergie besteht.

3. Ofen gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohmaterial direkt bestrahlt wird durch die externe Strahlungsquelle.

4.

Ofen gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ofenkammer um ihre Mittelachse rotiert und durch Zentrifugalkräfte die festen Komponenten des Rohmateriales an den Wänden festgehalten werden und dieselben vor thermischer Belastung schützen.

5. Ofen gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die festen Bestandteile der Rohstoffe kontinuierlich zugeführt werden.

6. Ofen gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Fenster des Ofens durch strömungstechnische Massnahmen vor Beschädigung geschützt wird.

7. Ofen gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gasförmigen Produkte kontinuierlich aus dem Ofeninnenraum abgeführt und mittels einer Quenchvorrichtung rasch abgekühlt werden.

8.

Verfahren, um den Ofen gemäss Anspruch 1 zu betreiben, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische und thermochemische Behandlungen von metallhaltigen und/oder kohlenstoffhaltigen Materialien in der Reduktion und/oder Vergasung und/oder Verdampfung, und/oder Verglasung und/oder im Schmelzen der Rohmaterialien besteht.

9. Verfahren gemäss Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die metallhaltigen und/oder kohlenstoffhaltigen Materialien aus Metalloxiden und/oder Kohle, und/oder Biomasse, und/oder Erzen, und/oder verbrauchten Batterien, und/oder Rückständen aus der Verbrennung von festen Siedlungsabfällen, und/oder unerwünschten Nebenprodukten der Metallindustrie, und/oder ändern festen Abfällen bestehen.

10. Verfahren gemäss Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reduktionsmittel zur Reduktion der metallhaltigen Materialien genutzt wird.

11.

Verfahren gemäss Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Oxidationsmittel zur Vergasung der kohlenstoffhaltigen Materialien benutzt wird.