УЛУЧШЕННАЯ ПЛАЗМЕННО-ИНДУЦИРУЕМАЯ ФЬЮМИНГОВАЯ ПЕЧЬ Российский патент 2025 года по МПК F27B3/20 F27B3/22 F27D99/00 C22B7/04 C22B4/00 C22B5/16 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к области пирометаллургического извлечения цветных металлов, таких как медь, свинец, олово и цинк, из первичного и/или вторичного сырья, также известного как перерабатываемые материалы, или из их комбинаций. Более конкретно, изобретение относится к извлечению летучих металлов, таких как цинк и свинец, из ванны расплавленного шлака и/или металла, с помощью технологического этапа, который обычно называется фьюмингованием, фьюмингом или шлаковозгонкой.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Процессы производства цветных металлов, таких как медь, никель, свинец, олово и цинк, обычно содержат по меньшей мере одну, а обычно множество пирометаллургических технологических этапов, на которых металлы и оксиды металлов находятся в жидком расплавленном состоянии, и при этом оксиды металлов могут быть отделены под действием силы тяжести в виде отдельной фазы жидкого шлака более низкой плотности от расплавленной металлической фазы более высокой плотности. Если фаза шлака бедна ценными металлами, то она обычно выводится из процесса в виде отдельного потока, и это разделение может привести к получению шлака в качестве сопродукта металлургического производства, который также может называться «конечным шлаком» или «окончательным шлаком».

В WO 2013/133748 A1 и US 2015/0040722 A1 раскрыт двухстадийный процесс восстановительной плавки для производства расплавленного железа из сырья, содержащего оксид железа. Сырье обрабатывают сначала в плавильном реакторе, а затем в плавильно-восстановительном реакторе. Атмосферы в этих двух реакторах поддерживают строго раздельными, так что в плавильно-восстановительном реакторе могут поддерживаться сильно восстановительные условия, чтобы увеличить выход восстановления до расплава жидкого железа, в то время как в плавильном реакторе могут поддерживаться более нейтральные условия, так что можно лучше использовать энергию сгорания от сжигания углеродосодержащих веществ. Плавильно-восстановительный реактор нагревают с помощью погружных плазмогенераторов, а восстановительная атмосфера создается путем добавления восстановителя, такого как уголь или нефтяной кокс. В результате реакции образуется горючая газовая смесь, содержащая СО и/или Н₂, а также, как правило, небольшие количества СО₂ и Н₂О. Эта газовая смесь после очистки от примесей содержит в основном СО и/или Н₂ и частично возвращается в плазмогенератор, нагревающий плавильно-восстановительный реактор. Остальная часть газовой смеси используется для нагрева плавильного реактора путем дальнейшего сжигания с помощью другого погружного плазмогенератора и/или путем подачи кислородсодержащего газа и смеси горючих газов в фурму под поверхностью содержимого плавильной печи. Любая сера в железосодержащем сырье обычно удаляется в плавильном реакторе либо в реакторные газы, либо как часть фазы штейна. Медь, присутствующая в сырье, обычно удаляется в виде металлической и/или штейновой меди на дне плавильного реактора. Этот процесс может иметь гораздо более низкие выбросы CO₂, чем традиционный процесс доменной печи. В WO 2013/133748 A1 и US 2015/0040722 A1 ничего не говорится о какой-либо очистке или фьюминговании испаряемого металла или соединения металла, и описанное оборудование не предназначено для их извлечения в качестве отдельного продукта. Таким образом, описанная печь не подходит для фьюминга испаряемого металла или соединения металла из металлургической шихты.

В US 4601752 раскрыт менее сложный способ производства металлов и/или получения шлака, проиллюстрированный для производства феррохрома из хромитовой руды. Тонкоизмельченная оксидная руда, возможно вместе со шлакообразователями, перерабатывается в однокамерном реакторе, состоящем из трех зон: верхней окислительной зоны, в которой материал предварительно нагревается и, возможно, плавится за счет сжигания поднимающихся из средней зоны моноксида углерода и газообразного водорода с содержащим кислород газом, средней зоны, состоящей из шлаковой ванны, в которой предварительно нагретый и возможно расплавленный оксидный материал по меньшей мере частично восстанавливается за счет одновременного ввода углеродистого материала и/или содержащего углеводород материала и тепловой энергии, подаваемой в основном через плазмогенераторы, и нижней зоны в нижней части реактора, в которую опускается образующийся в процессе восстановления металл и из которой можно выпускать металлический продукт и побочный продукт - шлак. Кислородсодержащий газ, подаваемый в среднюю зону, является на 99,5 мас.% чистым кислородом. Добавление кислорода регулируется для выработки достаточной энергии для предварительного нагрева и расплавления руды и добавок, добавляемых в камеру, и это происходит в более окислительной атмосфере, имеющей место в средней и верхней зонах однокамерного реактора. Энергия, подаваемая через плазмогенераторы, регулируется для запуска эндотермических реакций между шлаком и углеродом в восстановительной атмосфере нижней части однокамерного реактора. Большая часть отходящего из печи газа обрабатывается для удаления Н₂О и СО₂ и возвращается в печь в качестве исходного газа для плазмогенератора. Остальная часть отходящего газа удаляется из процесса для использования в качестве топлива. В US 4601752 ничего не говорится о какой-либо очистке или фьюминге испаряемого металла или соединения металла, и описанное оборудование не предназначено для его извлечения в виде отдельного продукта. Материальный баланс на фигуре 2 показывает, что в печь не подается никакой другой газ, кроме плазмообразующего газа и газообразного кислорода. Таким образом, эта печь также не подходит для фьюминга испаряемого металла или соединения металла из металлургической шихты.

В WO 2016/078959 A1 описывается однованная печь для плавки металлургической шихты и разделения металлов в гибких окислительно-восстановительных условиях. Печь была оборудована плазменной горелкой мощностью 3 МВт, а также обычной, так называемой «кислородно-газовой» горелкой мощностью 1,5 МВт. Это устройство позволяет выполнять этапы окисления и восстановления в одной и той же печи. Этот документ предлагает использовать кислородно-газовый режим для плавки и/или для работы в условиях мягкого восстановления или любых окислительных условиях в плавильной печи, а также использовать плазменный режим для работы в условиях сильного восстановления. Если потребуется очень большая энергии, две технологии нагрева также могут работать одновременно.

Конечные шлаки, которые извлекаются из пирометаллургических процессов, производящих цветные металлы, обычно охлаждают, гранулируют и измельчают/сортируют, и они могут использоваться в производстве бетона в качестве заменителя горных пород и гравия или в качестве заполнителя в дорожном строительстве. В измельченном виде шлаки также могут представлять интерес для использования в качестве песка или абразива для пескоструйной обработки.

Некоторые из веществ, которые могут быть обнаружены в шлаковых продуктах, известных в данной области техники, считаются потенциально опасными для окружающей среды. В первую очередь свинец, но в некоторой степени также и цинк являются яркими примерами таких нежелательных веществ. Цинк и свинец являются металлами, которые могут по меньшей мере частично присутствовать в формах, выщелачиваемых из шлака, и их присутствие в значительных количествах препятствует многим применениям шлакового продукта, особенно в экономически более привлекательных областях применения, и может затруднить утилизацию таких шлаков, поскольку их обычно необходимо рассматривать как «опасные отходы». Приемлемость использования в конкретных применениях часто определяется путем проведения испытаний на поведение шлаков при выщелачивании. Как правило, такие элементы, как Pb и Zn, более склонны к выщелачиванию и могут привести к тому, что определенный шлак не пройдет такие приемочные испытания.

В дополнение, заявители обнаружили, что уровни содержания цинка в шлаках порядка 5 мас.% и выше значительно замедляют затвердевание бетона и других строительных композиций, таких как цементы, когда шлаки используются в подобных строительных композициях. Это влияние на скорость твердения представляет собой препятствие для использования шлаков, содержащих значительные количества цинка, в качестве вяжущего материала и/или в качестве наполнителя в бетоне или цементах.

Хотя бы по некоторым из вышеупомянутых причин производители цветных металлов предпринимали попытки снизить содержание цинка, а также свинца, если он присутствует, в своих побочных шлаковых продуктах, часто посредством этапа так называемого «фьюминга».

В публикации Michael Borell, «Slag - a resource in the sustainable society», proceedings of International Conference on Mining and the Environmental Metals and Energy Recovery «Securing the Future», Sweden, 2005, pp 130-138, описывается, как уже с 1960-х годов жидкий шлак из электроплавильных печей, производящих медный штейн, можно обрабатывать восстановительными газами в печи для фьюминга шлака, также известной как «Коробчатый фьюмер», на периодическом технологическом этапе, на котором содержание цинка в медеплавильном шлаке, а также в дополнительном цинковом рециркулирующемся материале снижается до 1,2 мас.%. Выпаренный шлак дополнительно очищается в отстойной печи, где оставшиеся капли медного сплава и сульфида меди выдерживаются некоторое время, чтобы они отделились в более тяжелую жидкую фазу, прежде чем шлак будет дробиться, обезвоживаться и сможет быть продан для целей дорожного строительства и для пескоструйных работ. Восстановительные газы для фьюмера получаются путем тщательного смешивания пылевидного угля с первичным воздухом, подаваемым в печь. Проблема с этим типом фьюминга заключается в том, что реакция угля с воздухом должна ограничиваться производством в первую очередь моноксида углерода, чтобы поддерживать восстановительные условия, и, таким образом большая часть тепла реакции, то есть часть, которая производится последующей реакцией окисления монооксида углерода до диоксида углерода, остается недоступной в сердцевине печи для проведения эндотермических реакций, таких как восстановление оксидов металлов, таких как оксид цинка, до элементарного металла, который можно удалить из жидкой ванны. Другим недостатком коробчатого фьюмера является большой объем образующихся и выходящих из печи газов, которые необходимо охлаждать, фильтровать и обрабатывать для извлечения возогнанных металлов и для очистки перед выбросом в атмосферу.

В US 4588436 раскрывается способ извлечения металлов из партии жидкого шлака в металлической или сульфидной форме путем восстановления углеродсодержащим восстановителем, при этом тепловая энергия, необходимая для поддержания температуры и проведения восстановления и сульфидирования, обеспечивается продувкой газа, предварительно нагретого в плазмогенераторе ниже поверхности шлаковой ванны. Пары летучих металлов конденсируются в конденсаторе и извлекаются в виде жидкого металла. Образующиеся нелетучие металлы и сульфиды собираются в виде капель расплава, которым дают осесть из шлака. Восстановительные условия обязательно должны поддерживаться на протяжении всего процесса, как описано, вплоть до выхода после конденсатора, чтобы обеспечить возможность конденсации летучих металлов в конденсаторе в виде жидкого металлического продукта. Пары из печи, содержащие летучие металлы, также представляют значительный риск для безопасности. Они являются весьма реакционноспособными и имеют высокую температуру. Любое попадание воздуха, каким бы незначительным оно ни было, приведет к самовозгоранию паров и, возможно, даже к взрыву.

В докладе «ScanArc’s Development of Plasma Based Processes for Recovery of Metals and Heat Energy from Waste and Hazardous Waste Materials», представленном на the International Workshop on Plasma Technologies for Hazardous Waste Destruction, Como, Italy, September 12-15, 1992, компания ScanArc Plasma Technologies AB предложила погружной плазмогенератор косвенного действия для восстановления шлаков металлургической промышленности путем фьюмингования, посредством чего можно было уменьшить содержание тяжелых металлов, извлечь металлы и получить застеклованный невыщелачивающийся шлак. Плазмогенератор может работать с большинством газов при любом выбранном кислородном потенциале, генерируя очень высокую полезную энтальпию при относительно низком расходе газа, в том числе с обедненной газовой смесью, и таким образом обеспечивает значительное преимущество в гибкости. S. O. представил очень похожую историю на 21-м симпозиуме Макмастера по производству чугуна и стали «Предварительная обработка и регенерация пыли, шлама и окалины», проходившем в Университете Макмастера, Гамильтон, Онтарио, Канада, 11-13 мая 1993 года. Эта технология была, среди прочего, коммерчески применена в Норвегии компанией Energy Recycling AS (ERAS) на площадке Sink Gjenvinning AS, о чем свидетельствует Запрос на получение разрешения на природоохранную деятельность «Извлечение ценных металлов из пыли EAF с помощью процесса дугового фьюминга», поданный 10 октября 2002 г. и обнародованный примерно за две недели до публичных слушаний по этому вопросу, состоявшихся 31 октября 2002 г. Этот запрос также очень подробно описывает сам процесс, составы сырья и продуктов, включая флюсовые компоненты, также известные как шлакообразователи, рабочие параметры и конструкцию оборудования.

В WO 2005/031014 A1 также описывается такой фьюминговый реактор для обработки цинксодержащих остатков с использованием погружной плазменной фурмы, присоединенной к плазменной горелке в качестве источника тепла и газа. В WO 2008/052661 A1 описывается способ фьюмингования Zn с использованием погружной плазменной горелки, генерирующей окисляющую газовую смесь, в котором в расплав подают твердый восстановитель.

В WO 2016/046593 A1 описываются плавка и фьюмингование металлургической шихты с использованием струи горячего газа из погружной плазменной горелки, при этом образующийся горячий газ (более правильно «плазма») имеет энтальпию не менее 200 МДж/кмоль. В WO 2016/156394 A1 описывается процесс фьюмингования цинка из металлургического шлака с использованием погружной плазменной горелки, посредством чего содержание цинка в полученном шлаке составляло не более 1,00 мас.%, а чистый шлак обладал преимуществом быстрого твердения, когда шлак тонко измельчался и использовался в качестве активного связующего в смеси 50/50 с силикатом натрия для изготовления плитки.

Печи для плазменного фьюминга, описанные в вышеуказанных документах, использовали в качестве источника тепла исключительно плазмогенераторы, т.е. горелки, которые вырабатывают тепло очень высокой температуры за счет потребления электричества, источника энергии, который во многих странах является довольно дорогим.

Однако заявители обнаружили, что поток газа, который может создаваться плазмогенератором промышленного масштаба, остается ограниченным, чтобы поддерживать электрическую дугу в рабочем состоянии и стабильной, а также для того, чтобы энтальпийное содержание в горячем газе из плазмогенератора оставалось в достаточной степени высоким, чтобы формировать желаемую плазму. Это более подробно объясняется ниже в данном документе. Таким образом, существует ограничение на количество отгоночного газа, которое может быть предоставлено плазмогенератором для отгонки испаряющихся веществ из жидкой ванны в печи. Это также ограничивает перемешивание, которое вдуваемый из плазмогенераторов газ может вызывать в жидкой ванне, содержащейся в печи.

При фьюминговании шлака предпочтительными являются сильно восстановительные условия, потому что может потребоваться восстановить оксид цинка и других испаряемых металлов до соответствующих элементарных форм, чтобы металлы стали испаряемыми. Сильно восстановительные условия могут быть получены путем добавления по меньшей мере одного восстановителя, который может быть газом, жидкостью, твердым веществом или их комбинацией, предпочтительно твердым восстановителем, предпочтительно углеродом, и он может быть добавлен к горячему плазменному газу, который вдувается в печь. Из-за небольшого количества плазмообразующего газа, доступного на один плазмогенератор, этот метод введения дополнительного восстановителя остается однако ограниченным. Затем в печь может быть добавлен дополнительный восстановитель путем насыпания предпочтительно твердого восстановителя на поверхность ванны через загрузочное отверстие печи.

Однако этот дополнительный способ введения дополнительного восстановителя оставляет желать лучшего.

Газообразный восстановитель, такой как природный газ, не может быть введен с помощью этого метода добавления через загрузочное отверстие печи, так как он не попадет в жидкую ванну, в которой он должен проявлять свою восстанавливающую активность, потому что это потребовало бы, чтобы газообразный восстановитель двигался против потока выходящих из печи газов. Впрыск жидкого восстановителя, такого как мазут, также менее предпочтителен, поскольку его испарение вызывает большое объемное расширение, приводящее к вспениванию и разбрызгиванию в печи, и часть восстановителя может уноситься с отходящими газами до того, как он сможет выполнить свою намеченную функцию. Поэтому выбор подходящих восстановителей весьма ограничен.

Дополнительный восстановитель, который обычно добавляется через загрузочное и выпускное отверстия в верхней части печи, должен пройти вниз через газовое пространство в верхней части печи, прежде чем он сможет достичь поверхности жидкости. Непосредственно перед вхождением печных газов в выпускной трубопровод обычно вводится дополнительный воздух для окисления испаренных элементарных металлов или соединений металлов до соответствующих оксидов металлов. Оксиды имеют гораздо более высокие температуры кипения и плавления, чем соответствующие металлы. Образующиеся оксиды легко проявляются в дымовых газах в виде унесенной пыли, и как таковые могут быть извлечены далее по потоку в системе обработки отходящих из печи газов. Таким образом, во время прохождения через верхнюю часть печи дополнительный восстановитель вступает в контакт с воздухом, и при высоких температурах в печи по меньшей мере часть восстановителя может быть легко окислена до того, как оставшаяся часть сможет достичь поверхности жидкой ванны. Тепло, выделяемое при этом окислении, также не достигает жидкой ванны, а остается с отходящими газами. Вместо полезного это тепло становится дополнительной нагрузкой на систему обработки отходящих газов.

Дополнительный восстановитель, который может достичь поверхности жидкой ванны, не сможет выполнять свою функцию должным образом, если он не будет хорошо перемешан в жидкой ванне. Однако поток газа, поступающий от плазмогенераторов, не вызывает очень интенсивного перемешивания ванны.

Дополнительный восстановитель также должен иметь возможность перемещаться вниз через газовое пространство печи против восходящего потока отгоночного газа, прежде чем он сможет достичь поверхности жидкой ванны. Следовательно, размер частиц или капелек твердого или жидкого восстановителя должен быть достаточно большим, чтобы избежать чрезмерного уноса частиц и/или капелек отгоночным газом в систему обработки отходящих газов. Однако крупные частицы имеют ограниченную поверхность на единицу массы и, следовательно, менее реакционноспособны, когда они смешиваются с жидкой ванной. Большинство восстановителей, таких как твердый углерод, имеют гораздо меньшую плотность, чем жидкая ванна в печи. Более крупные частицы обладают более высокой плавучестью и, следовательно, имеют более высокую склонность плавать поверх жидкой ванны, что дополнительно уменьшает поверхность контакта между твердым восстановителем и жидкой ванной.

Следовательно, этот способ добавления дополнительного восстановителя страдает значительным недостатком как действенности, так и эффективности.

Поэтому известные в данной области техники процессы и печи для плазменного фьюминга оставляют желать лучшего. Остается потребность в улучшенном процессе и устройстве для плазменного фьюминга, обеспечивающем повышенную скорость фьюминга, в частности, за счет большего перемешивания ванны и/или большего количества фьюмингового газа, а также возможность введения дополнительного восстановителя более действенным и более эффективным образом.

Настоящее изобретение ставит своей целью устранить или по меньшей мере смягчить вышеописанную проблему и/или предложить усовершенствования.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с настоящим изобретением предлагаются устройство и способ, охарактеризованные в приложенной формуле изобретения.

В одном варианте осуществления настоящее изобретение предлагает однокамерную печь или однокамерное устройство для фьюмингования по меньшей мере одного испаряемого металла или соединения металла из металлургической шихты, содержащую(ее) ванную печь, способную содержать расплавленную шихту вплоть до определенного уровня, при этом печь оборудована по меньшей мере одной плазменной горелкой косвенного действия для генерирования первых горячих газов плазменного качества и по меньшей мере одним первым погружным инжектором для вдувания первых горячих газов из плазменной горелки ниже упомянутого определенного уровня, при этом печь дополнительно содержит зону дожигания для окисления упомянутого по меньшей мере одного испаряемого металла или соединения металла во фьюминговом газе с образованием окисленной формы упомянутого по меньшей мере одного испаряемого металла или соединения металла и зону извлечения для извлечения окисленной формы упомянутого по меньшей мере одного испаряемого металла или соединения металла из газа, образующегося в зоне дожигания, причем эта печь отличается тем, что она дополнительно оборудована по меньшей мере одним вторым погружным инжектором, отличающимся от первого погружного инжектора, для вдувания дополнительного газа в печь ниже упомянутого определенного уровня.

В другом варианте осуществления настоящее изобретение предлагает способ фьюмингования по меньшей мере одного испаряемого металла или соединения металла из металлургической шихты с использованием печи или устройства в соответствии с настоящим изобретением, содержащий этапы:

- введение в печь металлургической шихты, содержащей упомянутые по меньшей мере один испаряемый металл или соединение металла, и формирование ванны расплавленной шихты до определенного уровня;

- фьюмингование некоторого количества по меньшей мере одного испаряемого металла или соединения металла из ванны с использованием горячих газов плазменного качества из упомянутой по меньшей мере одной плазменной горелки и по меньшей мере одного восстановителя, в результате чего получается фьюминговый газ, содержащий испаряемый металл или соединение металла;

- дожигание в зоне дожигания фьюмингового газа для окисления упомянутого по меньшей мере одного испаряемого металла или соединения металла в окисленную форму упомянутого по меньшей мере одного испаряемого металла или соединения металла,

- выведение образовавшегося в печи газа из печи и извлечение окисленной формы упомянутого по меньшей мере одного испаряемого металла или соединения металла из образовавшегося на этапе дожигания газа;

отличающийся тем, что во время по меньшей мере части этапа фьюмингования вдувают дополнительный газ упомянутым по меньшей мере одним вторым инжектором в ванну ниже упомянутого определенного уровня, увеличивая тем самым количество паров, содержащих испаряемый металл или соединение металла.

Термин «металлургическая шихта» в контексте настоящего изобретения представляет собой широкое семейство составов, которые могут встречаться в качестве или как часть содержимого печи или загрузки печи в любой момент во время пирометаллургического технологического этапа, предпочтительно этапа, который является частью процесса производства цветного металла.

Предпочтительно, металлургическая шихта представляет собой первый шлак, а продукт, получаемый в результате способа в соответствии с настоящим изобретением, представляет собой второй шлак, который имеет содержание упомянутого по меньшей мере одного испаряемого металла или соединения металла, уменьшенное по сравнению с содержанием того же самого испаряемого металла или соединения металла в первом шлаке.

В другом варианте осуществления настоящее изобретение предлагает применение печи в соответствии с настоящим изобретением для фьюмингования по меньшей мере одного испаряемого металла или соединения металла из металлургической шихты.

Заявители обнаружили, что фьюмингование испаряемого металла или соединения металла из металлургической шихты, при котором на этапе фьюмингования используются первые горячие газы плазменного качества из плазменной горелки, вдуваемые в жидкую ванну расплава первым погружным инжектором, может быть значительно улучшено за счет вдувания дополнительного количества газа в жидкую ванну расплава через по меньшей мере один второй погружной инжектор.

Заявители обнаружили, что дополнительный газ, вводимый через дополнительный погружной инжектор, обеспечивает дополнительную точку вдувания и дополнительный объем газа для удаления испаряющегося металла или соединения металла из расплавленной металлургической шихты. Заявители обнаружили, что при наличии только объема плазмы или горячих газов, поступающих из плазменных горелок, доступного для отгонки цинка из медеплавильного шлака, концентрация цинка в пузырьках газа, которые поднимаются вверх через ванну с расплавленным шлаком, может достигать значений вплоть до 40 мол.%. Поскольку в лучшем случае может быть достигнуто равновесие реакции (I) фьюмингования цинка,

ZnO + C → Zn(г) + CO(г) (I)

несмотря на благоприятную константу равновесия, которой обладает процесс при очень высоких температурах горячих газов плазменного качества из плазменной горелки, высокий уровень Zn в газовых пузырьках приводит к тому, что заметное количество оксида цинка все еще остается в жидкой ванне. Заявители обнаружили, что эта концентрация в газовой фазе может быть значительно уменьшена настоящим изобретением из-за дополнительного газа, подаваемого для отгонки через дополнительный инжектор, и дополнительно из-за увеличенного присутствия восстановителя во всей жидкой ванне, которое при этом может быть достигнуто. Поскольку количество горячих газов, которые могут быть произведены плазменной горелкой, ограничено, заявители обнаружили, что выгодно вдувать дополнительный газ в жидкую ванну расплава, и особенно выгодно делать это через по меньшей мере один второй погружной инжектор, отличающийся от первого погружного инжектора.

Таким образом, другое преимущество настоящего изобретения также заключается в том, что изобретение предлагает еще по меньшей мере одну погружную точку вдувания газа в жидкую ванну расплава. Это дает преимущество дополнительного перемешивания жидкой ванны расплава в печи, что улучшает смешивание в ванне, приводит к более равномерному распределению температуры и любого восстановителя, который может быть введен в печь, и, следовательно, также способствует протеканию химических реакций, а также получению более равномерного распределения восстановленного металла или соединения металла, образующегося в результате реакции с восстановителем. Таким образом, дополнительная погружная точка вдувания газа с помощью этих механизмов также привносит улучшение в операцию фьюминга.

Еще одно преимущество настоящего изобретения состоит в том, что оно предлагает по меньшей мере одно дополнительное средство для дополнительного введения восстановителя в жидкую ванну расплава внутри печи. Поскольку по меньшей мере один второй инжектор также является погружным инжектором, это дополнительное средство одновременно предлагает более широкий выбор подходящего восстановителя по сравнению с добавлением твердого вещества в виде крупных частиц и/или жидкого восстановителя через загрузочное и выпускное отверстия в верхней части печи. В то время как при использовании обычных средств любые частицы кокса, попадающие в печь через загрузочное отверстие, предпочтительно должны иметь средний размер частиц в диапазоне по меньшей мере 6 мм, чтобы большинство частиц могло упасть в печь и их унос газами, отходящими из печи через то же самое отверстие, оставался ограниченным, второй погружной инжектор предлагает намного более широкий выбор подходящего восстановителя. Восстановитель, вводимый через второй погружной инжектор, может быть газом, жидкостью, твердым веществом или их комбинациями, а в твердом состоянии восстановитель может иметь гораздо более мелкую гранулометрию, что обеспечивает дополнительные преимущества высокого соотношения поверхность/объем и более высокой поверхности контакта, и, следовательно, более высокой реакционной способности, когда он вступает в контакт с жидкой ванной расплава внутри печи. Погружное введение восстановителя также обеспечивает более тесный контакт между восстановителем и жидкой ванной. Это преимущество относится ко всем агрегатным состояниям восстановителя, но оказывается особенно заметным, когда восстановитель представляет собой твердое вещество, в частности тонкоизмельченное твердое вещество.

Таким образом, настоящее изобретение позволяет добиться большего, чем просто обеспечение большего количества отгоночного газа для отгонки испаряемого металла или соединения металла из металлургической шихты. Дополнительным эффектом является дополнительное перемешивание ванны, приводящее к большей однородности ванны внутри печи, и еще одним дополнительным преимуществом является возможность вдувания большего количества и, необязательно, также другого и более эффективного восстановителя более эффективным способом. Эти дополнительные эффекты способствуют дальнейшему улучшению фьюминга из-за улучшенных условий, благоприятствующих намеченным химическим реакциям.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Настоящее изобретение будет далее описано в виде конкретных вариантов осуществления и с возможными ссылками на конкретные чертежи, но изобретение ограничивается не ими, а только формулой изобретения. Любые описанные чертежи являются схематичными и неограничивающими. На чертежах размер некоторых элементов может быть преувеличен и изображен не в масштабе в иллюстративных целях. Размеры и относительные размеры на них не обязательно соответствуют фактическим.

Кроме того, термины «первый», «второй», «третий» и т.п. в описании и в формуле изобретения используются для различения подобных элементов, а не обязательно для того, чтобы описать последовательный или хронологический порядок. Эти термины являются взаимозаменяемыми при подходящих обстоятельствах, и варианты осуществления изобретения могут работать в других последовательностях, отличающихся от описанных и/или проиллюстрированных здесь.

Кроме того, термины «верх», «низ», «над», «под» и т.п. в описании и в формуле изобретения используются для описательных целей, а не обязательно для описания относительных положений. Эти термины являются взаимозаменяемыми при подходящих обстоятельствах, и описанные здесь варианты осуществления изобретения могут работать в других ориентациях, отличающихся от описанных или проиллюстрированных здесь.

Термин «содержащий», используемый в формуле изобретения, не должен рассматриваться как ограничиваемый элементами, которые перечисляются в контексте с ним. Он не исключает наличия других элементов или этапов. Таким образом, он должен интерпретироваться как определяющий наличие заявленных признаков, предметов, этапов или компонентов в том виде, как они указаны, но не исключает присутствия или добавления одного или более других признаков, предметов, этапов или компонентов, или их групп. Таким образом, объем термина «изделие, содержащее средства A и B», не может быть ограничен объектом, который состоит исключительно из средств А и B. Это означает лишь то, что A и B являются единственными элементами, существенными для объекта, связанного с настоящим изобретением. В соответствии с этим термины «содержащий» и «включающий в себя» охватывают также более ограничивающие термины «состоящий по существу из» и «состоящий из». Следовательно, при замене формулировок «содержащий» и «включающий в себя» на «состоящий из» эти термины создают основу предпочтительных, но суженных вариантов осуществления, которые также предусмотрены как часть содержания данного документа по отношению к настоящему изобретению.

Если явно не указано иное, все приведенные здесь диапазоны включают в себя конечные точки указанных интервалов, а значения содержания составляющих или компонентов композиций выражены в массовых процентах или мас.% каждого ингредиента в композиции.

Используемые здесь термины «массовые проценты», «мас.%», «проценты по массе», «мас. млн^-1» (массовые миллионные доли), «млн^-1 по массе» или «млн^-1», а также их вариации относятся к концентрации вещества в виде массы этого вещества, деленной на общую массу композиции и умноженной на 100 или 1000000 в зависимости от обстоятельств, если явно не указано иное. Подразумевается, что используемые здесь «проценты», «%» должны быть синонимами «массовых процентов», «мас.%» и т.д.

Следует отметить, что используемые в данном описании и в приложенной формуле изобретения грамматические формы единственного числа включают в себя также множественное число, если контекст ясно не указывает иное. Так, например, ссылка на композицию, содержащую «соединение», включает в себя композицию, содержащую два или более соединений. Следует также отметить, что термин «или» обычно используется в значении «и/или», если контекст явно не указывает иное.

Дополнительно, каждое используемое здесь соединение может взаимозаменяемо упоминаться с использованием его химической формулы, химического названия, сокращения и т.д.

Плазма считается четвертым состоянием вещества, завершающим ряд, образуемый твердым, жидким и газообразным, со стороны высоких энергий. При повышении температуры газа по меньшей мере часть атомов распадается на ионы и электроны, и образуется ионизированный газ, который является «плазмой», но может быть назван горячим плазменным газом или, по другим источникам, даже просто «горячим газом». Ионизация атомов может быть частичной или полной, поэтому переход из газа в плазму является довольно плавным. Одним из определяющих признаков плазмы является то, что должна поддерживаться ионизация, что подразумевает высокую температуру.

В плазменной дуговой горелке косвенного действия плазменная дуга генерируется между двумя электродами внутри корпуса горелки, через которую протекает газ, который преобразуется в плазму за счет энергии, рассеиваемой электрической дугой. Плазменная горелка косвенного действия отличается от плазменной горелки прямого действия, где обрабатываемое вещество помещается в электрически заземленном металлическом сосуде и действует в качестве анода, поэтому реагирующий материал должен быть электропроводящим материалом. В плазменной горелке прямого действия анод также может быть выполнен из углерода. Однако недостатком углеродного электрода является то, что он фиксирует условия восстановления, что сильно снижает универсальность оборудования по отношению к процессу фьюминга.

Для получения плазмы энтальпийное содержание плазмообразующего газа, производимого плазмогенератором, должно составлять по меньшей мере 1 кВт⋅ч/нм³. Таким образом, горячие газы плазменного качества имеют энтальпийное содержание по меньшей мере 1 кВт⋅ч/нм³. Плазменные горелки, известные в данной области техники, могут иметь мощность вплоть до 5 или даже 7 МВт. Более типичная плазменная горелка выдает примерно 3 МВт, что означает, что она не может генерировать более 3000 нм³ горячих газов плазменного качества. Более типичный рабочий режим обеспечивает плазму, имеющую энтальпийное содержание в диапазоне 3,5-5,5 кВт⋅ч/нм³, что означает, что плазменная горелка мощностью 3 МВт обычно производит 600-800 нм³/час горячих газов плазменного качества. Таким образом, плазменная горелка с конкретной электрической мощностью не способна производить больше соответствующего этой мощности объема горячих газов плазменного качества.

Применительно к плазменной горелке указанные объемы газа учитывают только объемы газа, которые подаются в плазменную горелку и находятся при стандартных/нормальных условиях. Объемы, указанные в контексте настоящего изобретения для объемов горячих газов плазменного качества, производимых плазмогенератором (ПГ), включают в себя только газ, который прошел через сам ПГ, т.е. то, что называется «первичным газом» или «первичным объемом газа». Поэтому они не учитывают какой-либо дополнительный газ, который может дополнительно подаваться непосредственно в расположенную ниже по потоку фурму, так называемые «вторичные объемы газа» в контексте настоящего изобретения и которые обычно смешиваются с поступающими из плазмогенератора горячими газами плазменного качества и вдуваются вместе с ними в ванну. После этого смешивания вполне возможно, что смешанный газ больше не соответствует критерию «плазменное качество», потому что энтальпийное содержание на единицу объема может больше не соответствовать нижнему пределу, указанному в другом месте этого документа для таких газов. Все эти объемы газа выражены для «нормальных» условий. Таким образом, они также не принимают во внимание любое изменение объема, которое может произойти в результате изменений температуры, давления, химической реакции или фазового перехода, которые могут произойти в плазмогенераторе или в фурме после него.

Под погружным инжектором подразумевается соединительная труба или фурма между источником газа и точкой вдувания, расположенная ниже уровня ванны или определенного уровня жидкости в печи, т.е. в погруженном положении или в положении, предназначенном для погружения во время работы. Это гарантирует более прямой и интенсивный контакт между газом и расплавленной массой.

Предпочтительно, чтобы фурмы или инжекторы были короткими, чтобы подвергаться минимальному износу. Это также гарантирует низкие тепловые потери. Фурмы могут охлаждаться для уменьшения их износа в жестких температурных условиях. Фурмы могут быть установлены горизонтально, пронизывая стенку печи ниже уровня ванны. Горелки или факелы, независимо от того, являются ли они плазменными или кислородно-газовыми, которые могут питать фурмы, располагаются тогда вне печи в погружном (также известном как «погруженное») положении. Предпочтительно, когда жидкая ванна металлургической шихты присутствует в печи, они постоянно питаются газом, чтобы расплавленная масса не затекала обратно в фурму, что в противном случае может привести к погружению фурмы, к ее серьезному повреждению, и возможно также к повреждению факела или горелки, питающей фурму. Альтернативно, фурмы могут быть установлены под углом, по-прежнему дуя в ванну, но позволяя горелкам или факелам находиться над уровнем ванны и вне печи. Эта компоновка приводит к несколько более длинным фурмам, но она также может гарантировать, что расплавленный материал не потечет обратно в горелки или факелы. Хотя это может быть менее рекомендовано в больших печах, фурмы также можно размещать вертикально. Аналогичным образом могут быть расположены фурмы для вдувания дополнительного газа, т.е. погруженными и пронизывающими стенку печи, перпендикулярно или под другим углом к стенке печи.

Под плазменной горелкой косвенного действия подразумевается термогазогенератор, использующий плазменную горелку, в которой между электродами внутри блока горелки поддерживается электрическая дуга. Газ вводится через входное отверстие в проточную камеру, в которой поддерживается электрическая дуга. Газ нагревается до экстремальных температур и выбрасывается через выходное отверстие в виде горячих газов плазменного качества, хотя бы частично в виде плазмы.

Между плазменной горелкой и точкой вдувания в печь к потоку от горелки до точки вдувания могут добавляться дополнительные вещества, такие как защитный газ или разбавляющий газ. В контексте настоящего изобретения количество горячих газов, генерируемых плазменной горелкой, должно включать в себя только первичный газ, проходящий через плазмогенератор, и исключать добавку вторичного газа, такого как любой дополнительный газ или другое вещество, которое может быть добавлено между самой плазменной горелкой и точкой вдувания или фурмой, через которую в печь из плазменной горелки вводятся первые горячие газы плазменного качества.

Под кислородно-газовой горелкой подразумевается термогазогенератор, смешивающий и сжигающий углеродсодержащее топливо и кислородсодержащий газ. Для легкого достижения высоких температур, необходимых для надлежащего функционирования кислородно-газовой горелки, кислородсодержащий газ предпочтительно должен быть богатым кислородом, более предпочтительно практически чистым кислородом с низкими уровнями содержания инертных компонентов. Это не только приводит к более высоким температурам пламени, но и уменьшает количество инертных газов, которые поступают и должны быть обработаны системой обработки отходящих из печи газов. Зона смешения кислородно-газовой горелки находится внутри блока горелки, а зона горения кислородно-газовой горелки может быть внутренней или внешней по отношению к блоку горелки.

Металлургическая шихта в контексте настоящего изобретения может быть любой композицией, которая может находиться в жидком расплавленном состоянии на этапе пирометаллургического процесса производства цветного металла. Таким образом, металлургическая шихта может представлять собой, например, расплавленную металлическую композицию, содержащую по меньшей мере один цветной металл, но также может представлять собой расплавленную фазу шлака, образующуюся на таком этапе процесса. Металлургическая шихта может быть в виде расплавленной жидкости, но может альтернативно иметь твердую форму любого вида, например, шихта может иметь форму агрегатов, получаемых охлаждением или гранулированием жидкой расплавленной фазы из печи, в которой был осуществлен этап пирометаллургического процесса.

Металлургический шлак обычно представляет собой не чистое вещество, а смесь многих разных компонентов. Следовательно, металлургический шлак не имеет четкой температуры плавления. В данной области техники стало общепринятым использовать термин «температура ликвидуса», который означает температуру, при которой шлак становится полностью жидким.

Как упоминалось в разделе «Предпосылки изобретения», «фьюмингование» является операцией, которая уже использовалась коммерчески в области пирометаллургии еще в 1960-х годах. Специалисту в данной области техники хорошо известно, что конкретные металлы или соединения металлов можно выпаривать из металлургической шихты путем отгонки газом, также называемой «фьюмингом», что может происходить при близком к атмосферному давлении и поэтому не требует глубокого вакуума, как при дистилляции свинца из олова. Эта возможность достигается благодаря тому, что давление паров испаряемого металла или соединения металла намного выше, чем у большинства остальных соединений в шихте. Поэтому такое соединение считается и называется в данной области техники «испаряемым» из металлургической шихты.

Хорошо известными примерами являются фьюмингование цинка из других пирометаллургических композиций. Это фьюмингование цинка может даже выполняться как часть другого пирометаллургического этапа, такого как удаление (обычно части) цинка через возгоны, образующиеся во время этапа выплавки меди или этапа рафинирования меди. Реже фьюмингование может выполняться как отдельная стадия процесса, т.е. как «коробчатый фьюмер», описанный Майклом Бореллом или компанией ScanArc, как обсуждалось выше. Как также обсуждалось выше, когда металлургическая шихта представляет собой шлак, цинк может присутствовать в шихте главным образом в виде его нелетучего оксида ZnO, так что может потребоваться обеспечение возможности проведения фьюминга сначала восстановлением оксида до элементарного металла, который может быть отогнан с помощью фьюминга. Другим примером является извлечение свинца и олова в виде их оксидов путем их испарения во время извлечения меди из медесодержащих отходов, как описано в разделе «Предпосылки» US 3682623. Также известно, что такие элементы, как висмут, индий и/или германий, являются испаряемыми металлами или имеют соединения металлов, которые являются испаряемыми в контексте настоящего изобретения. Испаряемые соединения металлов могут представлять собой соответствующие оксиды, хлориды и/или сульфиды.

В данном документе, если явно не указано иное, количества металлов и оксидов выражаются в соответствии с обычной практикой в пирометаллургии. Наличие каждого металла обычно выражается в его общем присутствии, независимо от того, присутствует ли металл в его элементарной форме (степень окисления = 0) или в любой химически связанной форме, обычно в окисленной форме (степень окисления > 0). Для металлов, которые могут относительно легко быть восстановлены до их элементарных форм и которые часто могут возникать в виде расплавленного металла в пирометаллургическом процессе, довольно распространено выражать их присутствие в терминах их элементарной металлической формы, даже когда приводится состав шлака, в котором большинство таких металлов может фактически присутствовать в окисленной форме. Следовательно, состав шлака, такого как шлак в соответствии с настоящим изобретением, указывает содержание Fe, Zn, Pb, Cu, Sb, Bi как элементарных металлов. Менее благородные металлы труднее восстанавливаемы в условиях пирометаллургии цветных металлов и встречаются в основном в окисленной форме. Эти металлы обычно выражаются в виде их наиболее распространенной оксидной формы. Следовательно, составы шлака обычно дают содержание Si, Ca, Al и Na, соответственно выраженное как SiO₂, CaO, Al₂O₃, Na₂O.

Поскольку кислород в шлаке, который связан с более благородными металлами, не отражается в составе, который показывает только содержание элементарного металла, состав шлака, сообщаемый в соответствии с этим методом, часто не дает в сумме 100 мас.%.

В одном варианте осуществления устройства или печи в соответствии с настоящим изобретением устройство оборудовано для вдувания через упомянутый по меньшей мере один второй инжектор общего количества дополнительного газа, составляющего по меньшей мере 10%, предпочтительно по меньшей мере 15%, более предпочтительно по меньшей мере 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50% или 55%, более предпочтительно по меньшей мере 60%, предпочтительно по меньшей мере 70%, более предпочтительно по меньшей мере 75%, 80%, 90%, 100%, 110%, 120%, 125%, 130%, 140%, 150%, 175%, 200%, 225%, и даже более предпочтительно по меньшей мере 230% от выраженного в объемных единицах при нормальных условиях количества горячих газов плазменного качества, которые могут генерироваться одиночным элементом упомянутой по меньшей мере одной плазменной горелки, имеющей наивысшую номинальную мощность, когда эта горелка подает плазму, имеющую энтальпийное содержание по меньшей мере 3,5 кВт⋅ч/нм³. Необязательно, устройство оборудовано для вдувания через упомянутый по меньшей мере один второй инжектор количества дополнительного газа, составляющего не более 500%, предпочтительно не более 450%, более предпочтительно не более 400%, 350%, 325%, 300%, 290%, 280%, 275%, 270%, 265%, 260%, 250%, 240%, 230%, 220%, 210%, 200%, 180%, 165%, 150%, 135%, 120%, 110%, 100%, 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30% и еще более предпочтительно не более 20% от выраженного в объемных единицах при нормальных условиях количества плазмы, которое может генерироваться одним элементом упомянутой по меньшей мере одной плазменной горелки, имеющей наивысшую номинальную мощность, когда эта горелка подает плазму, имеющую энтальпийное содержание по меньшей мере 3,5 кВт⋅ч/нм³. Заявители обнаружили, что основное преимущество настоящего изобретения может быть достигнуто уже за счет вдувания через второй инжектор количества дополнительного потока газа, которое ближе к указанному нижнему пределу, особенно когда дополнительный поток газа используется в качестве носителя для дополнительного восстановителя, в частности когда в качестве дополнительного восстановителя используется мелкодисперсный порошок, такой как угольный порошок или пыль нефтяного кокса. Заявители обнаружили, что преимущества настоящего изобретения, в целом объясненные выше в разделе «Сущность изобретения», могут быть дополнительно усилены при дальнейшем увеличении количества дополнительного газа. Однако заявители предпочитают также соблюдать указанный верхний предел, чтобы уменьшить риск разбрызгивания и вспенивания жидкой ванны, чтобы уменьшить вибрации и другие виды динамической нагрузки на фурмы, а также на остальные детали конструкции печи, а также для уменьшения объемов газов, которые нужно обрабатывать после верха печи, т.е. в зоне дожигания и зоне извлечения.

В зоне дожигания печи или устройства в соответствии с настоящим изобретением по меньшей мере один испаряемый металл или соединение металла во фьюминговом газе окисляется с образованием окисленной формы упомянутого по меньшей мере одного испаряемого металла или соединения металла. Цель этого этапа состоит в том, чтобы уменьшить угрозу безопасности, которую представляет фьюминговый газ, и сделать возможным более легкое извлечение металла из фьюмингового газа.

Фьюминговый газ, образующийся в верхней части печи, представляет собой угрозу безопасности. Он является очень горячим. Испаренные металл или соединение металла, содержащиеся в этом газе, обычно представляют собой восстановленную форму металла, и таким образом также проявляют высокую реакционную способность при воздействии окислительных условий, например при контакте с кислородом. Следовательно, фьюминговый газ, образующийся в верхней части печи, представляет собой значительную угрозу безопасности. Любой кислород, попадающий в оборудование неконтролируемым образом и вступающий в контакт с фьюминговым газом из печи, например как часть окружающего воздуха, который может быть всосан в верхнюю часть печи или ниже по потоку в секции обработки отходящих газов устройства, будет легко вступать в реакцию и окислять испаренный металл или соединение металла, причем эта реакция является сильно экзотермической. В недостаточно контролируемых условиях, т.е. при слабом смешивании и/или особенно в относительно застойных зонах, такое сочетание горячих газов с кислородом почти неизбежно может привести к неконтролируемому горению, а возможно даже к взрыву газового облака.

В установившемся и относительно быстро текущем потоке газа и при хорошем смешивании такое сочетание газа с известным притоком воздуха или другого источника газообразного кислорода способно создать фронт пламени, который можно поддерживать постоянным и хорошо контролируемым. Таким образом, заявители предлагают как часть настоящего изобретения зону дожигания, в которой горячие газы из верхней части фьюминговой печи контролируемым образом отсасываются, приводятся в установившееся и относительно быстрое движение потока и интенсивно смешиваются с кислородом так, что условия в газовой смеси изменяются с восстановительных на окислительные. Результатом хорошего смешения и высокой температуры является то, что фронт пламени развивается и устанавливается в газовом потоке, отводимом из верхней части печи, и что этот фронт пламени может легко поддерживаться в установившемся состоянии. Заявители предпочитают обеспечивать этот фронт пламени в пространстве над фьюминговой печью, предполагая преимущество, состоящее в том, что излучение от установившегося фронта пламени все еще может достигать жидкой ванны в печи и возвращать некоторую часть тепла от фронта пламени в жидкую ванну.

Другой результат стадии или зоны дожигания состоит в том, что угроза безопасности, представляемая горячим и высокореакционноспособным газом в верхней части печи, остается ограниченной объемом газа перед фронтом пламени.

Окисленная форма упомянутого по меньшей мере одного испаряемого металла или соединения металла чаще всего представляет собой оксид металла. Оксидные формы металла или соединения металла типично являются нелетучими и обычно образуют пыль из мелких частиц, увлекаемых газовым потоком, что делает их более легко извлекаемыми из него.

Печь в соответствии с настоящим изобретением дополнительно содержит зону извлечения окисленной формы упомянутого по меньшей мере одного испаряемого металла или соединения металла из газа, образовавшегося в зоне дожигания. Способ в соответствии с настоящим изобретением также содержит соответствующий этап извлечения окисленной формы упомянутого по меньшей мере одного испаряемого металла или соединения металла из газа, образовавшегося в печи и подвергнутого стадии дожигания.

В одном варианте осуществления устройства или печи в соответствии с настоящим изобретением устройство содержит множество вторых инжекторов, и каждый инжектор оборудован для вдувания через каждый второй инжектор количества дополнительного газа, которое составляет по меньшей мере 10%, предпочтительно по меньшей мере 15%, более предпочтительно по меньшей мере 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45% или 50%, более предпочтительно по меньшей мере 55%, предпочтительно по меньшей мере 60%, более предпочтительно по меньшей мере 65%, еще более предпочтительно по меньшей мере 70%, еще более предпочтительно по меньшей мере 75%, предпочтительно по меньшей мере 80% от выраженного в объемных единицах при нормальных условиях количества первых горячих газов плазменного качества, которые могут генерироваться одним элементом упомянутой по меньшей мере одной плазменной горелки, имеющей наивысшую номинальную мощность, когда эта горелка подает первые горячие газы, имеющие энтальпийное содержание по меньшей мере 3,5 кВт⋅ч/нм³. Необязательно, каждый второй инжектор оборудован для вдувания через него количества дополнительного газа, которое составляет не более 200%, предпочтительно не более 190%, более предпочтительно не более 180%, 170%, 160%, 150%, 140%, 130%, 125%, 120%, 115%, 110%, 105%, 100%, 95%, а еще более предпочтительно не более 90% от выраженного в объемных единицах при нормальных условиях количества горячих газов плазменного качества, которые могут генерироваться одним элементом упомянутой по меньшей мере одной плазменной горелки, имеющей наивысшую номинальную мощность, когда эта горелка подает плазму, имеющую энтальпийное содержание по меньшей мере 3,5 кВт⋅ч/нм³.

В одном варианте осуществления печи или устройства в соответствии с настоящим изобретением устройство соединено с по меньшей мере одним источником сжатого газа и/или оборудовано компрессором для подачи сжатого газа к упомянутому по меньшей мере одному второму инжектору. Заявители обнаружили, что это обеспечивает очень удобный способ подачи дополнительного газа в печь. Термин «компрессор» может интерпретироваться в его очень широком смысловом значении и может, например, включать в себя газовую турбину, из которой газы сгорания могут подаваться при давлении выше атмосферного.

В одном варианте осуществления печи или устройства в соответствии с настоящим изобретением источник подачи дополнительного газа в устройство содержит источник газа, выбираемого из группы, состоящей из водорода, азота, воздуха, диоксида углерода, аргона, неона, гелия, метана, этана, пропана, бутана и их комбинаций, предпочтительно азота или воздуха, более предпочтительно воздуха, а еще более предпочтительно сжатого воздуха. Заявители обнаружили, что азот и воздух, предпочтительно сжатый воздух, являются очень удобными газами в качестве основы для вдуваемого в печь дополнительного газа.

В одном варианте осуществления печи или устройства в соответствии с настоящим изобретением устройство содержит средства для термической обработки дополнительного газа перед упомянутым по меньшей мере одним вторым инжектором для изменения его энтальпийного содержания, предпочтительно средства для термической обработки дополнительного газа, содержащие по меньшей мере один теплообменник. Если во время работы подача газа в печь происходит при температуре ниже температуры жидкой ванны внутри печи, то заявители предпочитают нагревать газ до того, как он будет введен упомянутым по меньшей мере одним вторым инжектором. Это уменьшает охлаждающий эффект, который может оказывать на печь вдувание дополнительного газа, и упрощает поддержание теплового баланса по всей печи. Предпочтительно, такой нагрев по меньшей мере частично использует тепло, имеющееся в системе обработки отходящих из печи газов.

В одном варианте осуществления печи или устройства в соответствии с настоящим изобретением устройство дополнительно оборудовано средствами для введения восстановителя в дополнительный газ перед упомянутым по меньшей мере одним вторым инжектором. Как объяснено выше в разделе «Сущность изобретения», вдувание дополнительного газа в печь через упомянутый по меньшей мере один второй инжектор представляет собой дополнительную точку ввода для добавления восстановителя в печь. В дополнение к этому, поскольку упомянутый по меньшей мере один второй инжектор является погружным, выбор подходящего восстановителя является очень широким.

В одном варианте осуществления печи или устройства в соответствии с настоящим изобретением вводимый восстановитель может выбираться из газа, жидкости, твердого вещества и их комбинаций. Заявители обнаружили, что вдувание дополнительного газа в соответствии с настоящим изобретением является подходящим носителем для широкого диапазона восстановителей с точки зрения объема или веса восстановителя, который может быть удобно введен не только в том случае, если восстановитель представляет собой газ или жидкость, но и в том случае, если восстановитель представляет собой твердое вещество. В дополнение, твердый восстановитель может иметь очень мелкий гранулометрический состав, предлагая высокое отношение поверхности к массе и, следовательно, высокую реакционную способность для участия в целевых химических реакциях.

В одном варианте осуществления печи или устройства в соответствии с настоящим изобретением устройство содержит средства для управления лямбдой дополнительного газа, вдуваемого в ванну вторым инжектором. Под лямбдой («λ») подразумевается очень удобный параметр, который обычно используется в отношении горелок и горючих топлив, в частности в случае двигателей внутреннего сгорания, и который представляет собой соотношение, в числителе которого находится фактическое соотношение воздуха и топлива, а в знаменателе - их стехиометрическое соотношение. Если воздушно-топливная смесь соответствует стехиометрии для полного сгорания, то ее лямбда равна 1,0. Заявители применяют этот параметр лямбда к каждой газообразной смеси, в которой присутствует кислород, а также другое вещество, которое может легко вступать в реакцию с кислородом, такое как горючее вещество, причем это другое вещество может быть газом, жидкостью, твердым веществом или их комбинацией. Заявители обнаружили, что регулирование лямбды дополнительного газа, который вдувается через упомянутый по меньшей мере один второй инжектор, является очень удобным средством для управления атмосферой в печи, устанавливая тем самым, является ли атмосфера нейтральной, окислительной или восстановительной, а также устанавливая степень окисления или восстановления. Заявители обнаружили, что дополнительная точка добавления восстановителя в устройстве в соответствии с настоящим изобретением является очень универсальной, а управление параметром лямбда во вдуваемом дополнительном газе обеспечивает очень удобный способ управления окислительно-восстановительными условиями внутри печи, а следовательно и управления химическими реакциями, происходящими внутри печи. Заявители обнаружили, что комбинация вдувания дополнительного газа с вдуванием горячих газов из плазмогенератора(ов) позволяет обеспечить широкий диапазон окислительно-восстановительных условий, при этом окислительно-восстановительные условия могут устанавливаться практически независимо от подвода тепла в печь, в отличие от более традиционных средств нагрева, таких как использование горелок, работающих на природном газе.

В одном варианте осуществления печи или устройства в соответствии с настоящим изобретением устройство оборудовано для вдувания в качестве части дополнительного газа кислорода и газообразного или жидкого топлива, а также для обеспечения более высокой скорости дополнительного газа в упомянутом по меньшей мере одном втором инжекторе или в другом месте перед ним, чем скорость распространения пламени топлива как части дополнительного газа. Заявители обнаружили, что дополнительный подвод тепла в печь может быть обеспечен путем вдувания в качестве части дополнительного газа газообразного или жидкого топлива, предпочтительно когда дополнительный газ также дополнительно содержит кислород, даже в том случае, когда дополнительный газ не был нагрет или зажжен, и поэтому топливо и кислород не прореагировали до того, как они достигнут жидкой ванны. Обычно температура жидкой ванны внутри печи значительно выше той температуры, при которой топливо и кислород в дополнительном газе начинают реагировать, даже без источника воспламенения, и они могут легко вступать в реакцию после того, как были введены в жидкую ванну. Заявители предпочитают этот вариант осуществления, поскольку они обнаружили, что в противном случае такая реакция может идти против направления потока дополнительного газа в газоходах перед упомянутым по меньшей мере одним вторым инжектором, а также в самом втором инжекторе. Такое явление «обратного хода пламени» может привести к выделению тепла в этом газоходе или инжекторе и, таким образом, к повышению температуры и, следовательно, к износу и разрыву, или даже к взрыву дополнительного газа выше по течению от и/или внутри инжектора. Заявители обнаружили, что риск повреждения оборудования в результате такого нагревания внутри или перед инжектором может быть снижен, если устройство оборудовано для обеспечения возможности достижения дополнительным газом во втором инжекторе или в другом месте перед ним более высокой скорости, чем скорость распространения пламени в дополнительном газе. Еще одним преимуществом является то, что дополнительные газы вдуваются при более низкой температуре, что еще больше снижает износ и разрыв второго инжектора.

В одном варианте осуществления печи или устройства в соответствии с настоящим изобретением устройство оборудовано для ограничения количества вдуваемого топлива таким образом, чтобы сгорание вдуваемого топлива при предполагаемых условиях работы печи приводило к такому увеличению энтальпии дополнительного газа, что дополнительный газ в точке вдувания в ванну находится при температуре, не превышающей температуру расплавленной шихты, предполагаемой находящейся в печи во время работы. Это также способствует меньшему износу и разрыву второго инжектора.

В одном варианте осуществления печи или устройства в соответствии с настоящим изобретением упомянутый по меньшей мере один второй инжектор направляет свой дополнительный газ во второй объем как часть внутреннего пространства печи ниже предопределенного (заданного) уровня, который отличается от первого объема, в который направляет свои первые горячие газы упомянутый по меньшей мере один первый инжектор. Заявители обнаружили, что этот признак усиливает преимущества, связанные с настоящим изобретением и объясненные выше в разделе «Сущность изобретения», т.е. улучшенное перемешивание ванны, более однородный состав жидкой ванны, улучшенные химические реакции и, безусловно, улучшенная отгонка испаряемого металла или соединения металла из жидкой ванны.

В одном варианте осуществления печи или устройства в соответствии с настоящим изобретением упомянутый по меньшей мере один первый инжектор располагается в боковой стенке печи, при этом упомянутый по меньшей мере один второй инжектор располагается в стенке печи напротив упомянутого по меньшей мере одного первого инжектора, предпочтительно по горизонтальному периметру печи, проходящему на практически той же самой высоте, что и упомянутый по меньшей мере один первый инжектор. Заявители обнаружили, что такая установка очень удобна и эффективна для получения желаемых эффектов настоящего изобретения, объясненных выше в разделе «Сущность изобретения». Упомянутый по меньшей мере один первый инжектор может вдувать свой дополнительный газ в направлении, примерно перпендикулярном боковой стенке печи. Заявители, однако, предпочитают вдувать дополнительный газ под углом к горизонтальной плоскости, либо вниз, либо вверх, потому что дополнительный газ придает дополнительный стимул для вертикальной циркуляции в жидкой ванне, что улучшает перемешивание ванны, а также втягивает в объем жидкой ванны больше восстановителя, который может плавать поверх жидкой ванны. Заявители при этом предпочитают направление вверх, потому что это может быть лучше для создания пути циркуляции в форме тора в жидкой ванне.

В одном варианте осуществления печи или устройства в соответствии с настоящим изобретением устройство содержит по меньшей мере два, а предпочтительно по меньшей мере три первых инжектора, распределенных по горизонтальному периметру боковой стенки печи, при этом упомянутый по меньшей мере один второй погружной инжектор направляет свой дополнительный газ к той части внутреннего объема печи ниже предопределенного уровня, которая близка к вертикальной оси печи, и/или упомянутый по меньшей мере один второй погружной инжектор располагается вдоль боковой стенки печи на примерно равном расстоянии между положениями двух ближайших из этих по меньшей мере двух первых инжекторов. В варианте осуществления с упомянутым по меньшей мере одним вторым погружным инжектором, расположенным вдоль боковой стенки печи, упомянутый по меньшей мере один второй инжектор предпочтительно направляет свой вдуваемый дополнительный газ к той части внутреннего объема печи ниже предопределенного уровня, которая отличается от объемов, к которым направляют свои первые горячие газы первые инжекторы. Заявители обнаружили, что это усиливает благоприятные эффекты, достигаемые настоящим изобретением и подробно описанные выше в разделе «Сущность изобретения».

В одном варианте осуществления печи или устройства в соответствии с настоящим изобретением устройство дополнительно оборудовано для введения восстановителя в первые горячие газы перед упомянутым по меньшей мере одним первым инжектором. Это дает преимущество, заключающееся в том, что в печь может быть введено еще большее количество восстановителя по сравнению с тем количеством, которое может быть введено другими способами, например вместе с дополнительным газом и/или через входное отверстие. Количество дополнительного восстановителя, которое может быть введено через упомянутый по меньшей мере один первый инжектор, не зависит от энтальпии, подводимой в печь. Таким образом, этот способ введения восстановителя очень удобен для управления окислительно-восстановительными свойствами атмосферы в печи. Дополнительным преимуществом является то, что восстановитель, вводимый через первый инжектор, вводится вместе с энтальпией самой высокой температуры, вводимой в печь. При более высокой температуре константа равновесия желаемой реакции (I) фьюмингования цинка способствует образованию металлического цинка, который является испаряющимся веществом. Таким образом, эффективность восстановителя, вводимого с первыми горячими газами, является более высокой, и поскольку это вдувание также осуществляется через погружной инжектор, оно также является высокоэффективным из-за очень тесного контакта первых горячих газов с жидкостью в жидкой ванне, что означает, что небольшое количество этого восстановителя может достигать поверхности жидкой ванны, не вступив в контакт с жидкостью из ванны.

В одном варианте осуществления печи или устройства в соответствии с настоящим изобретением восстановитель, вводимый перед упомянутым по меньшей мере одним первым инжектором, может быть выбран из газа, жидкости, твердого вещества и их комбинаций. Заявители обнаружили, что подача первых горячих газов из плазменной горелки через первый инжектор обеспечивает очень универсальную возможность введения дополнительного восстановителя, поскольку она очень терпима в отношении выбора восстановителя, в частности относительно его агрегатного состояния, а также относительно того количества, которое может быть введено.

В одном варианте осуществления печи или устройства в соответствии с настоящим изобретением устройство дополнительно оборудовано по меньшей мере одной кислородно-газовой горелкой для генерирования дополнительных первых горячих газов сверх количества первых горячих газов плазменного качества из упомянутой по меньшей мере одной плазменной горелки. Это дает то преимущество, что может быть обеспечен дополнительный ввод энтальпии в печь по сравнению с вводом энтальпии, обеспечиваемым плазмогенераторами. Это может облегчить поддержание выгодного теплового баланса во всей печи, во всем устройстве и во всем процессе.

В одном варианте осуществления печи или устройства в соответствии с настоящим изобретением устройство оборудовано по меньшей мере одним третьим погружным инжектором для вдувания дополнительных первых горячих газов ниже определенного уровня. Это дает преимущество очень тесного контакта между дополнительными первыми горячими газами и жидкой ванной, что благоприятно для теплопередачи от дополнительных первых горячих газов к жидкой ванне внутри печи. Это делает теплопередачу весьма эффективной.

В одном варианте осуществления печи или устройства в соответствии с настоящим изобретением, содержащем по меньшей мере одну кислородно-газовую горелку, эта по меньшей мере одна кислородно-газовая горелка располагается ниже определенного уровня.

В одном варианте осуществления устройства в соответствии с настоящим изобретением плазменная горелка располагается ниже определенного уровня.

Признаки расположения генератора горячего газа и/или плазмы ниже определенного уровня позволяют использовать очень короткие соединительные трубы, при этом генератор горячего газа или плазмы может располагаться на уровне точки вдувания, на наружной стороне печи. Однако необходимо предпринимать меры для того, чтобы избежать затопления генератора расплавленной массой внутри печи. Поэтому можно использовать непрерывный поток защитного газа через инжектор.

В одном варианте осуществления печи или устройства в соответствии с настоящим изобретением зона дожигания предусмотрена выше упомянутого определенного уровня как часть однокамерной печи. Предпочтительно, зона дожигания предусмотрена выше жидкой ванны из-за радиационного тепла, которое может возвращаться из зоны дожигания в жидкую ванну в печи. Как поясняется в другом месте в этом документе, в зоне дожигания устанавливаются окислительные условия с целью окисления испаряемого металла или соединения металла в соответствующую окисленную форму. Одним из основных эффектов, достигаемых при полной конверсии окисления восстановленной формы, образующейся на этапе фьюмингования, является то, что содержащий окисленную форму газ больше не является легковоспламеняющимся, а значит, угроза безопасности, представляемая газом с этапа фьюмингования, имеется и удаляется после зоны или стадии дожигания. Вторичной целью стадии дожигания является также окисление большей части моноксида углерода, который мог образоваться на этапе фьюмингования в результате реакции углерода в восстановителе, например, с кислородом, доступным в шлаке в виде оксида металла, до диоксида углерода, и/или окисление водорода до воды. Это дополнительно снижает угрозу безопасности, а также делает дальнейшую переработку отходящих из печи газов, включая любой возможный выброс в атмосферу, более простой, безопасной и более приемлемой для окружающей среды.

Предпочтительно, заявители выполняют дожигание путем введения во фьюминговый газ окислителя, причем предпочтительно окислителем является кислород.

В одном варианте осуществления печи или устройства в соответствии с настоящим изобретением зона дожигания содержит соединение с источником подачи кислородсодержащего газа, предпочтительно выбираемого из воздуха, обогащенного кислородом воздуха и очищенного газообразного кислорода. Заявители предпочитают использовать воздух из-за его доступности. Предпочтительно, заявители вводят кислород путем вдувания кислородсодержащего газа в поток фьюмингового газа, выходящего из верхней части печи. Обычно фьюминговый газ, выходящий из верхней части печи, находится под давлением ниже атмосферного из-за тяги, которая создается последующей обработкой отходящих газов, которая обычно содержит по меньшей мере дымовую трубу и, необязательно, вытяжной вентилятор перед дымовой трубой. Таким образом, кислородсодержащий газ может подаваться при атмосферном давлении. Заявители предпочитают подавать кислородсодержащий газ под давлением выше атмосферного, поскольку это обеспечивает более высокую разницу давлений между источником кислородсодержащего газа и фьюминговым газом, подаваемым в оборудование обработки отходящих из печи газов за счет естественной или искусственной тяги. Преимущество более высокой разности давлений заключается в том, что потоком кислородсодержащего газа во фьюминговый газ можно управлять более точно.

В более простом варианте осуществления заявители предусматривают по меньшей мере одно отверстие в атмосферу в канале, соединяющем печь с последующим оборудованием обработки отходящих газов, через которое может всасываться воздух из окружающей среды. Предпочтительно, размер отверстия в канале является управляемым. Может быть предусмотрено множество отверстий, что обеспечивает преимущество более быстрого и более качественного смешивания кислородсодержащего газа с фьюминговым газом.

Заявители обнаружили, что в зоне дожигания может образовываться устойчивый фронт пламени, в котором протекают реакции окисления. Заявители обнаружили, что фронт пламени становится более стабильным по мере того, как фьюминговый газ делают движущимся быстрее, и по мере того, как быстрее и/или интенсивнее происходит смешивание с кислородсодержащим газом.

Заявители предпочитают подавать в зону или на стадию дожигания значительный избыток окислителя, чтобы окислительные реакции в зоне дожигания практически завершались. Это гарантирует, что угроза безопасности полностью локализуется в зоне или на стадии дожигания и перед ней. Это также гарантирует, что выбрасываемый в конечном итоге отходящий газ практически не содержит моноксида углерода, который является токсичным газом, а также водорода.

В одном варианте осуществления печи или устройства в соответствии с настоящим изобретением устройство дополнительно содержит зону охлаждения для охлаждения газа, который образуется или был образован в зоне дожигания перед зоной извлечения. Охлаждение может осуществляться различными подходящими способами.

Одним из подходящих способов является обеспечение так называемого котла-утилизатора, т.е. теплообменника, в котором теплота газа со стадии дожигания используется для получения пара. Преимущество состоит в том, что тепло используется для производства пара, и этот пар можно использовать в другом месте для производства электроэнергии или тепла, где это может быть использовано. Таким образом, высокие капитальные затраты на котел-утилизатор по сравнению с другими альтернативами могут быть компенсированы стоимостью вырабатываемого пара. Однако потребитель пара подходящего размера не всегда имеется поблизости от печи в соответствии с настоящим изобретением.

Другим подходящим способом охлаждения является использование радиационного водоохладителя, в котором вода на стороне хладагента циркулирует достаточно быстро, чтобы избежать образования пара, так что производится только горячая вода. Предпочтительно, вода возвращается в радиационный водоохладитель после того, как из нее была отведена большая часть тепла. Эта горячая вода также предпочтительно может быть экономически выгодно использована в системе отопления, например, для обогрева множества жилых зданий, и более предпочтительно она повторно используется после того, как она была использована для отопления. В дополнение к этому и/или в качестве альтернативы, горячая вода может охлаждаться в обычной градирне. Количество испарившейся в градирне воды необходимо восполнять перед возвратом оставшейся воды в радиационный водоохладитель. Поскольку в таком водном цикле накапливаются соли, необходимо осуществлять отбор воды, и количество отбираемой воды также необходимо восполнять. Радиационный водоохладитель также имеет то преимущество, что он не изменяет количество газа, которое необходимо обрабатывать далее по ходу на газовой стороне этапа охлаждения. Еще одно преимущество радиационного водоохладителя состоит в том, что этот этап охлаждения может быть объединен с зоной дожигания, что означает, что этап дожигания может выполняться внутри радиационного водоохладителя. Этот вариант осуществления обеспечивает дальнейшее упрощение оборудования и, следовательно, уменьшение капитальных затрат.

Еще одним способом охлаждения является охлаждение распылением или «испарительное охлаждение». Этот способ включает впрыскивание воды в поток горячего газа, при этом впрыскиваемая вода отбирает свою теплоту испарения из потока газа. Этот способ является весьма эффективным и быстрым, требует мало оборудования и, следовательно, низких капитальных затрат. Недостаток состоит в том, что этот способ увеличивает объем газа, который должен быть обработан после этапа охлаждения.

Другим подходящим способом является использование теплообменника газ/газ с газом с этапа дожигания на одной стороне и, например, окружающим воздухом на другой стороне теплообменника. Это дает то преимущество, что он является компактным по объему и не увеличивает поток газа, который необходимо обрабатывать после этапа охлаждения.

Предпочтительный этап охлаждения может содержать ряд аналогичных или различных способов охлаждения, выбранных из перечисленных выше. Подходящей комбинацией может быть, например, обеспечение на стороне горячего входа сначала радиационного водоохладителя для того, чтобы довести температуру газа с этапа дожигания, например, от примерно 1500°C до примерно 1000°C, с последующим распылительным охладителем для дальнейшего снижения температуры газа до примерно 200°C, которая может быть достаточно низкой для оборудования, используемого в последующей зоне извлечения.

В одном варианте осуществления печи или устройства в соответствии с настоящим изобретением зона извлечения содержит зону фильтрации газа, предпочтительно содержащую по меньшей мере одну газофильтровальную ткань. Заявители предпочитают использовать фильтрующие рукава, изготовленные из ткани из политетрафторэтилена (ПТФЭ), поскольку они способны выдерживать температуры обработки до примерно 260°C.

Обычно последним оборудованием в последовательности обработки газа является воздуходувка или вентилятор для проталкивания газа из зоны извлечения в дымовую трубу, а также для увеличения тяги вверх по потоку за счет всасывания газа через последовательность зоны дожигания, необязательной зоны охлаждения и зоны извлечения. Использование воздуходувки или вентилятора дает то преимущество, что требования к естественной тяге дымовой трубы снижаются, так что дымовая труба может быть построена менее высокой.

В одном варианте осуществления печи или устройства в соответствии с настоящим изобретением печь имеет в целом цилиндрическую форму, а предпочтительно также имеет коническую нижнюю секцию, сужающуюся к меньшему круглому дну, при этом цилиндрическая форма печи имеет наибольший внутренний диаметр d и общую внутреннюю высоту h от дна до верха, причем отношение h к d составляет по меньшей мере 0,75, предпочтительно по меньшей мере 0,80, более предпочтительно по меньшей мере 0,85, еще более предпочтительно по меньшей мере 0,90, еще более предпочтительно по меньшей мере 0,95, предпочтительно по меньшей мере 1,00, более предпочтительно по меньшей мере 1,05, еще более предпочтительно по меньшей мере 1,10, еще более предпочтительно по меньшей мере 1,15, предпочтительно по меньшей мере 1,20, более предпочтительно по меньшей мере 1,25, а еще более предпочтительно по меньшей мере 1,30. В контексте настоящего изобретения внутренний диаметр печи представляет собой расстояние между двумя противоположными поверхностями стенки печи, а при наличии огнеупорной футеровки - поверхностями огнеупорной футеровки в печи во время строительства. Внутренний диаметр считается таким, чтобы исключить возможное накопление на этих поверхностях застывшего шлака, слоя, который можно назвать «настылью». Заявители обнаружили, что этот признак дает преимущество меньшего разбрызгивания расплавленного вещества в ванне печи во время работы. Такое разбрызгиваемое расплавленное вещество может затвердевать на любой твердой и более холодной поверхности, такой как входное отверстие печи и/или выпускной трубопровод печи, где это может вызвать проблемы из-за его высокой температуры и где такой рост материала может вызвать другие эксплуатационные проблемы, такие как ухудшение потока газа и/или возможностей ввода питания.

В одном варианте осуществления печи или устройства в соответствии с настоящим изобретением печь содержит коническую нижнюю секцию, при этом определенный уровень находится примерно на той высоте, на которой цилиндрическая форма переходит в коническую нижнюю секцию. Заявители обнаружили, что коническая нижняя секция обеспечивает очень удобную установку, в которой большинство погружных инжекторов и предпочтительно также соответствующие источники питания для этих погружных инжекторов могут быть расположены с возможностью очень эффективного вдувания в жидкую ванну внутри печи с минимумом соединительных трубопроводов, а также ограничивает площадь участка, которую может занимать устройство. Эта компоновка дает преимущество, заключающееся в приближении первых инжекторов к центральной вертикальной оси печи, что благоприятно для перемешивания ванны. Эта компоновка также обеспечивает более сильное перемешивание в нижней секции, где вдуваются первые горячие газы, а также, в тех вариантах осуществления, в которых устройство снабжено фурмами в стенке печи меньшей нижней секции, где вдувается дополнительный газ, в то время как в верхней секции разбрызгивание становится меньше благодаря большему диаметру. Дополнительным преимуществом является то, что в верхней секции может образовываться поток жидкости в форме тора, что полезно для втягивания любых частиц твердого восстановителя, которые могут плавать поверх уровня жидкости внутри ванны.

В одном варианте осуществления печи или устройства в соответствии с настоящим изобретением печь снабжена внутренней огнеупорной футеровкой, в частности там, где может иметь место контакт с расплавленным металлом и/или штейном. Это дает то преимущество, что могут быть переработаны или обработаны металлургические шихты с высокими температурами плавления и/или высокими температурами ликвидуса. Огнеупорная футеровка предпочтительно предусмотрена в нижней секции, где может находиться свободная фаза расплавленного металла и/или штейна, обеспечивая повышенную стойкость к химическому и/или механическому воздействию этих жидкостей.

В одном варианте осуществления печи или устройства в соответствии с настоящим изобретением периферийные стенки печи являются водоохлаждаемыми. Заявители обнаружили, что это способствует более длительной стойкости оборудования к возможно очень высоким температурам, которые могут возникать внутри печи во время работы. Дополнительным преимуществом является то, что внутри печи у ее боковых стенок может образовываться настыль. Такая настыль может обеспечить дополнительную теплоизоляцию от возможных очень высоких температур внутри печи во время работы и обеспечить дополнительную защиту огнеупорного материала, который может быть нанесен на стенки печи.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением количество дополнительного газа, вдуваемого через упомянутый по меньшей мере один второй инжектор, составляет по меньшей мере 10%, предпочтительно по меньшей мере 15%, более предпочтительно по меньшей мере 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50% или 55%, более предпочтительно по меньшей мере 60%, предпочтительно по меньшей мере 70%, более предпочтительно по меньшей мере 75%, 80%, 90%, 100%, 110%, 120%, 125%, 130%, 140%, 150%, 175%, 200%, 225%, и даже более предпочтительно по меньшей мере 230% от выраженного в объемных единицах при нормальных условиях количества горячих газов плазменного качества, которые могут генерироваться одиночным элементом упомянутой по меньшей мере одной плазменной горелки, имеющей наивысшую номинальную мощность, когда эта горелка подает первые горячие газы, имеющие энтальпийное содержание по меньшей мере 3,5 кВт⋅ч/нм³. Необязательно, количество дополнительного газа, вдуваемого через упомянутый по меньшей мере один второй инжектор, составляет не более 500%, предпочтительно не более 450%, более предпочтительно не более 400%, 350%, 325%, 300%, 290%, 280%, 275%, 270%, 265%, 260%, 250%, 240%, 230%, 220%, 210%, 200%, 180%, 165%, 150%, 135%, 120%, 110%, 100%, 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, а еще более предпочтительно не более 20% от выраженного в объемных единицах при нормальных условиях количества плазмы, которое может генерироваться одним элементом упомянутой по меньшей мере одной плазменной горелки, имеющей наивысшую номинальную мощность, когда эта горелка подает плазму, имеющую энтальпийное содержание по меньшей мере 3,5 кВт⋅ч/нм³. Заявители обнаружили, что основное преимущество настоящего изобретения может быть достигнуто уже за счет вдувания через второй инжектор количества дополнительного потока газа, которое ближе к указанному нижнему пределу, особенно когда дополнительный поток газа используется в качестве носителя для дополнительного восстановителя, в частности когда в качестве дополнительного восстановителя используется мелкодисперсный порошок, такой как угольный порошок или пыль нефтяного кокса.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением, в котором устройство содержит множество вторых инжекторов, количество дополнительного газа, вдуваемого через каждый второй инжектор, составляет по меньшей мере 10%, предпочтительно по меньшей мере 15%, более предпочтительно по меньшей мере 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45% или 50%, более предпочтительно по меньшей мере 55%, предпочтительно по меньшей мере 60%, более предпочтительно по меньшей мере 65%, еще более предпочтительно по меньшей мере 70%, еще более предпочтительно по меньшей мере 75%, предпочтительно по меньшей мере 80% от выраженного в объемных единицах при нормальных условиях количества первых горячих газов плазменного качества, которые могут генерироваться одним элементом упомянутой по меньшей мере одной плазменной горелки, имеющей наивысшую номинальную мощность, когда эта горелка подает первые горячие газы, имеющие энтальпийное содержание по меньшей мере 3,5 кВт⋅ч/нм³. Необязательно, каждый второй инжектор вдувает количество дополнительного газа, которое составляет не более 200%, предпочтительно не более 190%, более предпочтительно не более 180%, 170%, 160%, 150%, 140%, 130%, 125%, 120%, 115%, 110%, 105%, 100%, 95%, а еще более предпочтительно не более 90% от выраженного в объемных единицах при нормальных условиях количества первых горячих газов плазменного качества, которые могут генерироваться одним элементом упомянутой по меньшей мере одной плазменной горелки, имеющей наивысшую номинальную мощность, когда эта горелка подает первые горячие газы, имеющие энтальпийное содержание по меньшей мере 3,5 кВт⋅ч/нм³.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением дополнительный газ, вдуваемый через упомянутый по меньшей мере один второй инжектор, содержит по меньшей мере один газ, выбираемый из группы, состоящей из водорода, азота, воздуха, диоксида углерода, аргона, неона, гелия, метана, этана, пропана, бутана и их комбинаций, предпочтительно азот или воздух, более предпочтительно воздух, а еще более предпочтительно сжатый воздух. Заявители обнаружили, что азот и воздух, предпочтительно сжатый воздух, являются очень удобными газами в качестве основы для вдуваемого в печь дополнительного газа.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением дополнительный газ, вводимый через упомянутый по меньшей мере один второй инжектор, термически обрабатывают перед упомянутым по меньшей мере одним вторым инжектором для того, чтобы изменить его энтальпийное содержание, а предпочтительно термообработку дополнительного газа осуществляют с использованием по меньшей мере одного теплообменника. Если газ подается в печь при температуре ниже температуры жидкой ванны внутри печи, то заявители предпочитают нагревать газ до того, как он будет введен упомянутым по меньшей мере одним вторым инжектором. Это уменьшает охлаждающий эффект, который может оказывать на печь вдувание дополнительного газа, и упрощает поддержание теплового баланса во всей печи. Предпочтительно, такой нагрев по меньшей мере частично использует тепло, имеющееся в системе обработки отходящих из печи газов.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением температура дополнительного газа, входящего в упомянутый по меньшей мере один второй инжектор, самое большее равна температуре ванны в печи, предпочтительно ниже температуры ванны по меньшей мере на 20 градусов Цельсия, более предпочтительно по меньшей мере на 50, еще более предпочтительно по меньшей мере на 100, а еще более предпочтительно по меньшей мере на 200 градусов Цельсия ниже температуры ванны в печи. Преимущество этого заключается в меньшем износе и разрыве точки вдувания, или фурмы. Необязательно, температура дополнительного газа, входящего в упомянутый по меньшей мере один второй инжектор, не более чем на 400 градусов Цельсия ниже температуры ванны в печи, предпочтительно не более чем на 350, более предпочтительно не более чем на 300, еще более предпочтительно не более чем на 250, предпочтительно не более чем на 200, более предпочтительно не более чем на 150, еще более предпочтительно не более чем на 100, предпочтительно не более чем на 75, более предпочтительно не более чем на 50, и еще более предпочтительно не более чем на 25 градусов Цельсия ниже температуры ванны в печи. Преимущество этого заключается в меньшем риске накопления затвердевшего шлака на горловине точки вдувания или очке фурмы, что может быть вызвано охлаждающим эффектом дополнительного газа, проходящего через точку вдувания или фурму и поступающего в печь.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением дополнительный газ, вдуваемый через упомянутый по меньшей мере один второй инжектор, содержит по меньшей мере один первый восстановитель, предпочтительно по меньшей мере один восстановитель, выбираемый из группы, состоящей из любых веществ, которые содержат элементы, отличные от кислорода и инертных газов, и которые способны к реакции с кислородом при условиях внутри печи, предпочтительно любых веществ, содержащих углерод и/или водород в химически связанной форме, способных к окислению, более предпочтительно восстановитель выбирается из группы, состоящей из природного газа, газообразного и/или жидкого углеводорода, мазута, каучука, пластика, предпочтительно пластика, изготовленного из по меньшей мере одного полиолефина, более предпочтительно отходов резины и/или пластика, древесного угля или кокса и их комбинаций, еще более предпочтительно кокса, еще более предпочтительно нефтяного кокса, который представляет собой высокоуглеродистый побочный продукт переработки сырой нефти. Как объяснено выше в разделе «Сущность изобретения», вдувание дополнительного газа в печь через упомянутый по меньшей мере один второй инжектор представляет собой дополнительную точку ввода для добавления восстановителя в печь. В дополнение к этому, поскольку упомянутый по меньшей мере один второй инжектор является погружным, выбор подходящего восстановителя является очень широким.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением, использующем первый восстановитель, первый восстановитель представляет собой твердое вещество, предпочтительно в виде частиц, более предпочтительно частиц, имеющих средний диаметр не более 6 мм, еще более предпочтительно самое большее 5, 4, 3, 2 или 1 мм, предпочтительно самое большее 500 мкм, более предпочтительно самое большее 250, 200, 150, 100 или даже 50 мкм. Заявители обнаружили, что подходящие твердые восстановители доступны в широком ассортименте и качестве и из различных источников. Кроме того, некоторые из этих подходящих твердых восстановителей практически не имеют альтернативных вариантов использования, в которых они представляли бы какую-либо значительную экономическую ценность. Таким образом, эти твердые восстановители являются очень интересным источником для использования в соответствии с настоящим изобретением. Как поясняется в другом месте в этом документе, меньший размер частиц дает преимущество, заключающееся в более высоком отношении поверхности к весу, а также меньшей плавучести и, следовательно, в более эффективном использовании восстановителя.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением дополнительный газ, вдуваемый через упомянутый по меньшей мере один второй инжектор, дополнительно содержит кислород и количество топлива, подходящее для того, чтобы при его сжигании в рабочих условиях в печи ввести в печь такую энтальпию, которая компенсирует по меньшей мере 50% охлаждающего эффекта, который дополнительный газ может оказывать на печь в том случае, если он имеет в точке вдувания температуру ниже температуры расплавленной шихты в печи. Заявители предпочитают добавлять такое количество топлива, которое компенсирует по меньшей мере 75%, а предпочтительно по меньшей мере 100% описанного охлаждающего эффекта. Заявители обнаружили, что дополнительный подвод тепла в печь может быть обеспечен путем вдувания в качестве части дополнительного газа газообразного или жидкого топлива, предпочтительно когда дополнительный газ также дополнительно содержит кислород, более предпочтительно по меньшей мере достаточно кислорода для того, чтобы достичь желаемого значения лямбда в дополнительных газах. Обычно температура жидкой ванны внутри печи выше температуры, при которой топливо и кислород в дополнительном газе начинают реагировать, даже без источника воспламенения. Таким образом, при наличии достаточного количества кислорода в дополнительном газе добавленное топливо легко воспламеняется, как только дополнительный газ вступает в контакт с расплавленной шихтой в печи. Заявители обнаружили, что потоки газа можно легко установить достаточно высокими, чтобы реакция горения не шла против направления потока дополнительного газа во втором инжекторе и/или в газоходах, ведущих к упомянутому по меньшей мере одному второму инжектору. Таким образом, риск такого явления «обратного хода пламени» становится очень низким. Заявители обнаружили, что риск повреждения оборудования в результате такого нагревания внутри инжектора или перед ним может быть легко устранен, если дополнительный газ достигает во втором инжекторе или перед ним более высокой скорости, чем скорость распространения пламени в дополнительном газе. Заявители обнаружили, что это условие вполне может быть выполнено.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением дополнительный газ, вдуваемый через упомянутый по меньшей мере один второй инжектор, имеет первое значение лямбда, учитывающее только газообразные и жидкие горючие вещества, менее 1,0, предпочтительно не более 0,9, более предпочтительно не более 0,8, еще более предпочтительно не более 0,7, а наиболее предпочтительно не более 0,6. Под лямбдой («λ») подразумевается очень удобный параметр, который обычно используется в отношении горелок и сгораемых топлив, в частности в случае двигателей внутреннего сгорания, и который представляет собой соотношение, в числителе которого находится фактическое соотношение воздуха и топлива, а в знаменателе - их стехиометрическое соотношение. Если воздушно-топливная смесь соответствует стехиометрии, то ее лямбда равна 1,0. Заявители применяют этот первый параметр лямбда к каждой газообразной смеси, в которой присутствует кислород, а также другое вещество, которое может легко вступать в реакцию с кислородом, такое как горючее вещество, причем это другое вещество может быть газом, жидкостью или их комбинацией. Заявители обнаружили, что если никакой твердый восстановитель не используется в процессе, регулирование первого значения лямбда дополнительного газа, который вдувается через упомянутый по меньшей мере один второй инжектор, является очень удобным средством для управления атмосферой внутри печи, устанавливая тем самым, является ли атмосфера нейтральной, окислительной или восстановительной, а также устанавливая степень окисления или восстановления. Заявители обнаружили, что дополнительная точка добавления восстановителя в устройстве в соответствии с настоящим изобретением является очень универсальной, а управление первым параметром лямбда и/или вторым параметром лямбда, дополнительно описываемым ниже, для вдуваемого дополнительного газа обеспечивает очень удобный способ управления окислительно-восстановительными условиями внутри печи, а следовательно и управления химическими реакциями, происходящими внутри печи. Заявители обнаружили, что комбинация вдувания дополнительного газа с вдуванием первых горячих газов из плазмогенератора(ов) позволяет обеспечить широкий диапазон окислительно-восстановительных условий, при этом окислительно-восстановительные условия могут устанавливаться практически независимо от подвода тепла в печь, в отличие от более традиционных средств нагрева, таких как использование горелок, работающих на природном газе.

Заявители также рассматривают второе значение лямбда, которое учитывает все горючие вещества, которые используются в способе и добавляются в дополнительный газ, т.е. включая любые твердые горючие вещества, такие как большинство восстановителей, описанных выше в этом документе. В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением дополнительный газ, вдуваемый через упомянутый по меньшей мере один второй инжектор, имеет второе значение лямбда менее 0,6, предпочтительно не более 0,5, более предпочтительно не более 0,4, еще более предпочтительно не более 0,3, а наиболее предпочтительно не более 0,2. Заявители обнаружили, что такие низкие значения второго параметра лямбда очень полезны для фьюмингования из металлургического шлака таких металлов, как цинк.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением дополнительный газ, вдуваемый через упомянутый по меньшей мере один второй инжектор, является горючим, и дополнительный газ в упомянутом по меньшей мере одном втором инжекторе достигает более высокой скорости, чем скорость распространения пламени в дополнительном газе. Заявители обнаружили, что дополнительный подвод тепла в печь может быть обеспечен путем вдувания в качестве части дополнительного газа газообразного или жидкого топлива, предпочтительно когда дополнительный газ также дополнительно содержит кислород. Обычно температура жидкой ванны внутри печи выше температуры, при которой топливо и кислород в дополнительном газе начинают реагировать, даже без источника воспламенения. Заявители обнаружили, что такая реакция может идти против направления потока дополнительного газа в газоходах, ведущих к упомянутому по меньшей мере одному второму инжектору, а также в самом втором инжекторе. Такое явление «обратного хода пламени» может привести к выделению тепла в этом газоходе инжектора и, таким образом, к повышению температуры дополнительного газа выше по течению и/или внутри инжектора. Заявители обнаружили, что риск повреждения оборудования в результате такого нагревания внутри инжектора или перед ним может быть легко уменьшен или даже устранен, если дополнительный газ достигает в инжекторе или перед ним более высокой скорости, чем скорость распространения пламени в дополнительном газе.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением упомянутый по меньшей мере один испаряемый металл или соединение металла представляет собой металл в его элементарной форме или испаряемое металлсодержащее соединение, предпочтительно металл, выбираемый из группы, состоящей из цинка, свинца, олова, висмута, кадмия, индия, германия и их комбинаций, при этом испаряемое соединение может представлять собой, например, оксид, сульфид, хлорид или их комбинацию. Заявители обнаружили, что способ в соответствии с настоящим изобретением является очень подходящим для удаления путем выпаривания металла или металлсодержащего соединения, выбранного из предписанного списка. Заявители обнаружили, что этот способ обеспечивает высококонкурентную альтернативу извлечению одного из указанных металлов из металлургической шихты.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением, в котором в печь добавляют менее благородный металл, чем металл в испаряемом металле или соединении металла, предпочтительно железо и/или алюминий, причем предпочтительно менее благородный металл добавляется в виде частиц, более предпочтительно частиц, имеющих средний диаметр не более 5, 4, 3, 2 или 1 мм, предпочтительно не более 500 мкм, более предпочтительно не более 250, 200, 150, 100 или даже 50 мкм, при этом концентрация менее благородного металла в шлаке предпочтительно сохраняется ниже его предела растворимости в шлаке при условиях процесса. Заявители обнаружили, что это дает преимущество улучшения текучести шлаковой фазы, которая может присутствовать внутри печи как часть жидкой ванны. Заявители, однако, обнаружили, что предпочтительно поддерживать концентрацию этих соединений ниже предела растворимости соединения в жидкой ванне, поскольку превышение растворимости может вызвать образование в печи отдельной фазы конкретного соединения. Такая отдельная фаза может ухудшить контакт между другой жидкой фазой в жидкостной ванне с вдуваемым дополнительным газом и/или первым горячим газом, генерируемым плазменной горелкой, и/или дополнительными первыми горячими газами, генерируемыми кислородно-газовой горелкой, если имеется, и, следовательно, может ухудшить химические реакции, которые желательны в печи, в частности, приводя к ухудшению испарения испаряемого металла или соединения металла.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением второй восстановитель добавляют в первые горячие газы плазменного качества перед упомянутым по меньшей мере одним первым инжектором. Это дает преимущество, заключающееся в том, что в печь вводится еще большее количество восстановителя по сравнению с тем количеством, которое может быть введено вместе с дополнительным газом. Количество дополнительного восстановителя, которое может быть введено через упомянутый по меньшей мере один первый инжектор, не зависит от энтальпии, подводимой в печь. Таким образом, этот способ введения восстановителя очень удобен для управления окислительно-восстановительными свойствами атмосферы в печи. Дополнительным преимуществом является то, что восстановитель, вводимый через первый инжектор, вводится вместе с энтальпией самой высокой температуры, вводимой в печь. При более высокой температуре константа равновесия желаемой реакции (I) фьюмингования цинка способствует образованию металлического цинка, который является испаряемым металлом или соединением металла. Таким образом, эффективность восстановителя, вводимого с первыми горячими газами из плазменной горелки, является более высокой, и поскольку это вдувание также осуществляется через погружной инжектор, оно также является высокоэффективным из-за очень тесного контакта первых горячих газов с жидкостью в жидкой ванне, что означает, что небольшое количество этого восстановителя может достигать поверхности жидкой ванны, не вступая в контакт с жидкостью из ванны.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением, использующем второй восстановитель, второй восстановитель выбран из газа, жидкости и твердого вещества и их комбинаций, предпочтительно второй восстановитель выбирается из группы, состоящей из природного газа, газообразного и/или жидкого углеводорода, мазута, древесного угля или кокса, а также их комбинаций, еще более предпочтительно является коксом, все же более предпочтительно второй восстановитель представляет собой нефтяной кокс, предпочтительно в виде твердых частиц, более предпочтительно частиц, имеющих средний диаметр не более 6 мм, еще более предпочтительно не более 5, 4, 3, 2 или 1 мм, еще более предпочтительно не более 500 мкм, не более 250, 200, 150, 100 или даже 50 мкм. Заявители обнаружили, что введение плазмы через первый инжектор обеспечивает очень универсальную возможность введения дополнительного восстановителя, поскольку оно очень терпимо в отношении выбора восстановителя, в частности относительно его агрегатного состояния, а также относительно того количества, которое может быть введено.

В одном варианте осуществления способ в соответствии с настоящим изобретением содержит этап регулирования кислородного потенциала в шлаке в пределах диапазона от 10 до 10^-9 Па (то есть от 10^-4 до 10^-14 атм). Предпочтительно, кислородный потенциал в шлаке регулируется добавлением первого и/или второго восстановителя. Благодаря использованию плазменной горелки практически любой кислородный потенциал может сочетаться с любым количеством тепловыделения. В комбинации с извлечением одного или более испаряемых металлов или соединений металлов из введенного в печь материала, также могут быть извлечены другие металлы. В одном варианте осуществления кислородный потенциал в шлаке может быть сделан подходящим для селективного восстановления соединений металлов в шлаке до расплавленной металлической фазы. Типичными примерами таких металлов, которые можно восстановить из шлака, являются Cu, Ni, Sn, Pb, Ag, Au, Pt и Pd. Расплавленная металлическая фаза может быть затем собрана на дне печи. Расплавленная металлическая фаза затем может непрерывно или периодически удаляться через выпускное отверстие. Для этой цели печь может быть снабжена огнеупорной футеровкой в нижней части. В другом варианте осуществления, где вводимый в печь материал, а значит и шлак, содержит серу или соединения серы, также может быть получена фаза штейна. Кислородный потенциал в шлаке тогда может быть сделан подходящим для предотвращения окисления серы. Тогда металлы могут быть извлечены в расплавленной фазе штейна. Примерами металлов, которые можно извлечь из шлака в фазе штейна, являются Fe, Cu, Ni, Sn, Pb, Ag, Au, Pt и Pd. Расплавленная фаза штейна также может быть собрана в нижней части печи. Расплавленная фаза штейна может удаляться, непрерывно или периодически, через выпускное отверстие. В еще одном варианте осуществления можно получить как металлическую фазу, так и фазу штейна путем надлежащего регулирования кислородного потенциала и содержания серы. В качестве неограничивающего примера, Au, Pt и Pd могут быть восстановлены в металлическую фазу, тогда как Cu и Ni могут быть переведены в фазу штейна. Фаза штейна обычно появляется поверх металлической фазы, потому что обычно она имеет меньшую плотность, чем металлическая фаза, и поскольку эти две фазы остаются более или менее нерастворенными друг в друге. Фаза штейна и металлическая фаза могут выводиться из печи через отдельные выходы или через общий выход.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением дожигание осуществляют внутри однокамерной печи. Это дает преимущество, заключающееся в гораздо более компактной конструкции оборудования и, следовательно, в снижении капитальных затрат.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением дожигание содержит введение в зону дожигания кислородсодержащего газа, предпочтительно выбираемого из воздуха, обогащенного кислородом воздуха и очищенного газообразного кислорода. Заявители обнаружили, что этот выбор представляет собой относительно простой вариант с низкими капитальными затратами для выполнения функции зоны дожигания. Заявители предпочитают использовать просто воздух, как было объяснено выше.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением окисленную форму упомянутого по меньшей мере одного испаряемого металла или соединения металла извлекают из газа в виде пыли. Заявители обнаружили, что этот вариант намного безопаснее по сравнению с тем альтернативным вариантом, в котором металл конденсируется с образованием жидкометаллической фазы, например как объяснено в US 4588436, поскольку риск самовозгорания и/или взрыва отходящего из печи газа практически заканчивается на выходе из зоны дожигания. Заявители также обнаружили, что этот вариант также требует относительно низких капитальных затрат, например относительно альтернативного варианта, описанного в US 4588436.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением извлечение окисленной формы упомянутого по меньшей мере одного испаряемого металла или соединения металла из газа содержит фильтрацию газа, содержащего окисленную форму упомянутого по меньшей мере одного испаряемого металла или соединения металла, с использованием фильтра, предпочтительно фильтровальной ткани. Как было объяснено выше, заявители предпочитают использовать фильтрующие рукава, изготовленные из ткани из политетрафторэтилена (ПТФЭ). В таком газовом фильтре скорости газа локально могут быть очень низкими. Тем не менее, ожидается присутствие кислорода. Поэтому для способа в соответствии с настоящим изобретением важно, чтобы практически вся восстановленная форма металла или соединения металла была окислена до его окисленной формы, так чтобы риск самовозгорания и/или взрыва был приемлемо низким.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением способ дополнительно содержит этап охлаждения перед извлечением из газа окисленной формы упомянутого по меньшей мере одного испаряемого металла или соединения металла. Можно применять множество подходящих способов охлаждения, как было объяснено выше.

Обычно последней стадией в последовательности обработки газа является воздуходувка или вентилятор, которая(ый) проталкивает газ из зоны извлечения в дымовую трубу, а также увеличивает тягу вверх по потоку за счет всасывания газа через последовательность зоны дожигания, необязательной зоны охлаждения и зоны извлечения.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением способ содержит формирование расплавленной металлической фазы, а также способ дополнительно содержит этап удаления расплавленной металлической фазы из печи. Заявители обнаружили, что способ в соответствии с настоящим изобретением может привести к формированию отдельной жидкой фазы расплава, вызванному восстановлением менее летучих металлов до их элементарной формы. Это может быть фаза чистого металла или расплавленный сплав. В таких обстоятельствах очень удобно удалять отдельную расплавленную металлическую фазу из печи в качестве отдельного побочного продукта. В случае сплава можно предпочесть дополнительную обработку сплава таким образом, чтобы по меньшей мере один из металлов в сплаве извлекался отдельно от некоторых других металлов в сплаве. Эта дополнительная обработка может содержать пирометаллургические стадии и/или электролитические стадии.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением, в котором металлическая шихта содержит шлак и в котором шлак содержит серу и/или соединения серы, способ дополнительно содержит этап формирования расплавленной фазы штейна и дополнительный этап удаления расплавленной фазы штейна из печи. Это является необязательным вариантом, в дополнение к извлечению жидкого расплавленного металла или сплава из процесса.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением металлургическую шихту вводят в печь в виде жидкости. Это дает преимущество, состоящее в том, что металлургическую шихту не нужно плавить и/или сплавлять в качестве части способа, осуществляемого в устройстве и/или печи, что благоприятно для теплового баланса печи и, следовательно, для производительности процесса и его оборудования, т.е. самой печи.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением металлургическая шихта представляет собой металлургический шлак, предпочтительно металлургический шлак, выбираемый из медеплавильного шлака, шлака от рафинирования меди и их комбинаций, и при этом способ производит второй шлак. Заявители обнаружили, что способ (и устройство) в соответствии с настоящим изобретением является очень подходящим для обработки сырья указанным образом.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением расплавленный шлак имеет среднюю температуру, которая менее чем на 50 градусов Цельсия выше температуры ликвидуса шлака. Это дает то преимущество, что настыль из твердого шлака, образующаяся на внутренних поверхностях стенки печи и обеспечивающая защиту огнеупорной футеровки, легко сохраняет достаточную толщину для обеспечения надлежащей защиты и теплоизоляции. Такая настыль очень выгодна с точки зрения теплового баланса печи, поскольку она действует как теплоизоляция между горячим жидким шлаком в печи и стенкой печи, которая предпочтительно охлаждается для защиты ее механической целостности. Таким образом, настыль снижает потери тепла из печи к охлаждаемой стенке.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением к шлаку во фьюминговой печи добавляют оксид, выбираемый из CaO, Al₂O₃ и их комбинаций, предпочтительно при температуре по меньшей мере 1000°C, предпочтительно по меньшей мере 1050°C, более предпочтительно примерно 1150°C. Этот признак дает дополнительное преимущество, заключающееся в том, что окончательный состав второго шлака после этапа фьюмингования может быть дополнительно оптимизирован и стабилизирован, что делает этот шлак более подходящим для конкретных конечных применений за счет возможного влияния на минералогию. Заявители обнаружили, что добавление при высокой температуре, такой как указанная, и в расплавленном состоянии является более эффективным для получения желаемых эффектов.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением температура шлака в печи по меньшей мере равна температуре, указанной в предыдущем абзаце, более предпочтительно даже выше, например по меньшей мере 1200, или 1250, или 1300°С, а более предпочтительно примерно 1350°С. Это дает преимущество более благоприятной константы равновесия между испаряемым металлом или соединением металла и его прекурсором в жидком шлаке. Еще одним преимуществом более высокой температуры является то, что это облегчает удаление выпаренного шлака из печи, так называемый «выпуск», независимо от того, осуществляется ли это путем перелива или путем выпуска из нижней летки в подходящем месте в стенке печи.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением способ дополнительно содержит этап охлаждения второго шлака, чтобы он стал твердым, а предпочтительно второй шлак сначала удаляют из печи в виде жидкости. Преимущество состоит в том, что фьюминговая печь может быть освобождена для дальнейшей обработки шлака, пока второй шлак остывает. Шлак может охлаждаться и/или отверждаться путем контактирования шлака с охлаждающей средой, такой как воздух и/или вода, возможно воздух из окружающей среды.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением, в котором охлаждают второй шлак, охлаждение выполняют путем контактирования жидкого второго шлака с водой. Заявители обнаружили, что охлаждение водой очень эффективно и может применяться различными способами, что приводит к относительно хорошо контролируемым скоростям охлаждения.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением, в котором охлаждают второй шлак, второй шлак охлаждают со скоростью по меньшей мере 30 градусов Цельсия в секунду, предпочтительно по меньшей мере 40 градусов Цельсия в секунду, а более предпочтительно по меньшей мере 50 или 60 градусов Цельсия в секунду. Заявители обнаружили, что при более высокой скорости охлаждения может быть получено более высокое содержание аморфного вещества в шлаке, что представляет интерес для конкретных конечных применений, например, когда шлак предназначен для использования в качестве связующего в строительной промышленности.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением, в котором охлаждают второй шлак, способ дополнительно содержит этап размола твердого второго шлака, предпочтительно измельчения второго шлака в порошок.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением, в котором охлаждают второй шлак, второй шлак охлаждают со скоростью менее 40 градусов Цельсия в секунду, предпочтительно не более 30 градусов Цельсия в секунду, а более предпочтительно не более 20 градусов Цельсия в секунду. Заявители обнаружили, что при более низкой скорости охлаждения может быть получено более низкое содержание аморфного вещества в шлаке и, следовательно, более высокая кристалличность, что представляет интерес для конкретных конечных применений, например, когда шлак предназначен для использования в качестве агрегата или в декоративных целях.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением, в котором в способе формируют второй шлак, способ дополнительно содержит этап добавления второго шлака в качестве связующего или агрегата во время производства объекта для строительной промышленности. Заявители обнаружили, что второй шлак можно использовать в качестве связующего для агрегатов, предпочтительно в качестве активного связующего, предпочтительно в качестве связующего, обладающего пуццолановой активностью. Заявители обнаружили, что шлак может действовать как связующее вместо цемента, например, при частичной замене цемента, такого как портландцемент, а также как связующее для получения геополимерных композиций.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением, в котором шлак используют в качестве связующего во время производства объекта для строительной промышленности, объект дополнительно содержит агрегат, причем этот агрегат предпочтительно содержит песок и/или второй шлак.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением, в котором шлак используют в качестве связующего во время производства объекта для строительной промышленности, и объект дополнительно содержит агрегат, способ дополнительно содержит этап добавления активатора во время производства объекта. Заявители обнаружили, что второй шлак может действовать как активное связующее, способное вступать в реакцию с подходящим активатором и тем самым проявлять сильные связывающие свойства для агрегатов. Следовательно, второй шлак можно использовать вместо портландцемента или в качестве единственного связующего в объекте, и в этом случае он считается «геополимером», который, например, придает огне- и термостойкие свойства покрытиям, клеям, композитам и т.д.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением, использующем активатор, этот активатор выбирается из группы, состоящей из гидроксида натрия, NaOH, гидроксида калия, KOH, силиката натрия, Na₂SiO₃, силиката калия, K₂SiO₃, и их комбинаций, а предпочтительно активатор представляет собой NaOH.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением, в котором формируют объект для строительной промышленности, этот объект является строительным элементом.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением, в котором формируют строительный элемент, строительный элемент выбирается из перечня, состоящего из плитки, брусчатки, блока, бетонного блока и их комбинаций.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением, в котором формируют объект для строительной промышленности, этот объект имеет вспененную структуру.

В одном варианте использования в соответствии с настоящим изобретением металлургическая шихта выбирается из медеплавильного шлака и шлака от рафинирования меди, а также их комбинаций.

В одном варианте использования в соответствии с настоящим изобретением испаряемый металл или соединение металла выбирается из цинка, свинца, олова, висмута, кадмия, индия, германия и их комбинаций.

В одном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением по меньшей мере часть способа отслеживается и/или управляется электронно, предпочтительно с помощью компьютерной программы. Заявители обнаружили, что электронное управление этапами способа в соответствии с настоящим изобретением, предпочтительно с помощью компьютерной программы, дает преимущество намного более хорошей обработки, с намного более предсказуемыми результатами, которые являются более близкими к целям способа. Например, на основе измерений температуры и, при желании, также измерений давления и/или уровня, и/или в комбинации с результатами химических анализов проб, взятых из технологических потоков, и/или с аналитическими результатами, получаемыми в режиме реального времени, управляющая программа может управлять оборудованием, относящимся к подаче или выключению электроэнергии, подаче тепла или охлаждающей среды, регулированию потока и/или давления. Заявители обнаружили, что такое отслеживание или управление особенно выгодны с этапами, которые эксплуатируются в непрерывном режиме, но оно может также быть выгодным и с этапами, которые эксплуатируются в периодическом или полунепрерывном режиме. В дополнение к этому и предпочтительно, результаты отслеживания (мониторинга), получаемые во время или после выполнения этапов в способе в соответствии с настоящим изобретением, также используются для отслеживания и/или управления на других этапах, являющихся частью способа в соответствии с настоящим изобретением, и/или способов, которые применяются до или после способа в соответствии с настоящим изобретением, как часть общего процесса, в рамках которого способ в соответствии с настоящим изобретением является лишь частью. Предпочтительно, весь общий процесс отслеживается с помощью электроники, более предпочтительно по меньшей мере одной компьютерной программы. Предпочтительно, общим процессом управляют с помощью электроники в максимально возможной степени.

Заявители предпочитают, чтобы компьютерное управление также обеспечивало передачу данных и инструкций от одного компьютера или компьютерной программы к по меньшей мере одному другому компьютеру или компьютерной программе, или к модулю той же самой компьютерной программы, для отслеживания и/или управления другими процессами, включая, но не ограничиваясь ими, способы, описанные в этом документе.

ПРИМЕР 1

В этом примере печь была оборудована 3 плазмогенераторами.

Печь, также называемая «устройством», «реактором» или «фьюмером», имела общую высоту от дна до верхнего загрузочного отверстия примерно 7,34 м. Верх печи был образован куполом, содержащим верхнее загрузочное отверстие и канал отвода отходящих газов. Ниже верхнего купола высотой 1,09 м печь содержала верхнюю секцию, цилиндрическую вокруг вертикальной оси, высотой примерно 3,00 м и с внешним диаметром 5,50 м. Ниже этой верхней секции печь сужалась на расстоянии по высоте примерно 1,66 м, заканчиваясь нижней цилиндрической секцией диаметром примерно 3,19 м и высотой 1,00 м. Нижний купол имел высоту 0,60 м. Нижняя цилиндрическая секция имела высоту 1,00 м, а коническая секция - высоту 1,66 м.

Во время работы печь предполагалась содержащей жидкую ванну расплава вплоть до уровня по меньшей мере выше самого высокого отверстия точек ввода первых горячих газов плазменного качества и дополнительных горячих газов. Заявители предпочитают для этой цели поддерживать уровень жидкости в печи, который находится по меньшей мере на уровне дна конической секции. Более предпочтительно, чтобы уровень жидкости поддерживался несколько выше, где-нибудь на высоте конической секции. При необходимости, ее уровню можно позволить подняться выше конической секции, но он должен оставаться ниже уровня, при котором статический напор становится слишком большим препятствием для введения первых горячих газов и/или дополнительных газов, так что пострадало бы перемешивание ванны.

Кожух печи был выполнен в виде двухстенной водоохлаждаемой конструкции из легированной стали, за исключением секций, хорошо защищенных огнеупорной футеровкой, а пространство внутри двойных стенок во время работы снабжалось проточной охлаждающей водой в составе циркуляционного контура. Это охлаждение предусмотрено для защиты конструктивной целостности, особенно механической прочности стенки реактора. Охлаждение также вызывает затвердевание части жидкого шлака внутри печи у стенки в так называемой «настыли» ниже уровня жидкости, а из-за разбрызгивания также и на большей части стенки печи выше уровня жидкости. Эта твердая настыль защищает стенки от многих видов химического и механического износа. Она также обеспечивает теплоизоляцию, уменьшая тем самым потери тепла от содержимого печи к охлаждающей воде. Поскольку во время способа также может образоваться некоторая расплавленная металлическая фаза, нижняя цилиндрическая секция и нижний купол были футерованы подходящим огнеупорным материалом, в данном случае - сочетанием изоляционных кирпичей, износостойкой футеровки и огнеупорного бетона. Большинство этих секций не составляли часть системы водяного охлаждения.

В стенке нижней цилиндрической секции, а значит, и ниже уровня жидкости при работе, по периметру на одной высоте и примерно на равном расстоянии были предусмотрены три (3) плазмогенератора (ПГ) для вдувания горячих газов в печь через фурмы в направлении, перпендикулярном стенке печи.

Плазмогенератор представляет собой прибор, производящий очень горячий газ, по меньшей мере частично преобразованный в плазму. Типичная температура газа составляет 3500-5000°C. Этот газ нагревается за счет электрической энергии. Высокая разница напряжений на двух электродах создает электрическую дугу между ними. В этом реакторе при работе воздух продувался через дугу и нагревался за счет энергии дуги. По мере увеличения электрического тока больше воздуха может быть нагрето и больше энергии может быть передано воздуху. Мощность ПГ (W, выраженная в ваттах, Вт) определяется как напряжение (V, выраженное в вольтах, В) × электрический ток (A, выраженный в амперах, А). При работе плазмогенератора этого типа существует зависимость между номинальной мощностью ПГ и количеством воздуха, которое может быть продуто через ПГ.

Три плазмогенератора реактора в примере имели номинальную мощность 3 МВт, и во время работы печи к каждому из них подавалось количество сжатого воздуха в диапазоне 300-900 нм³/ч. При эталонной энтальпии 3,5 кВт⋅ч/нм³ для производимого газа каждый из плазмогенераторов был способен произвести 857 нм³ таких горячих газов плазменного качества, как «первичный газ».

ПГ не устанавливались непосредственно в стенку реактора. Они вдували свои первые горячие газы (произведенные плазмой и плазменного качества) в печь через фурму. Фурма представляет собой сопло, образующее в реакторе отверстие, через которое в реактор могут подаваться горячие газы. Эта фурма может дополнительно использоваться для смешивания вторичных объемов природного газа и/или дополнительного воздуха с горячими газами из ПГ, если это необходимо. Предпочтительно, заявители поддерживали значительный объем вторичных газов через фурму все время, когда в печи присутствует горячая жидкая ванна. Цель состоит в том, чтобы даже если ПГ необходимо будет отключить и/или удалить, оставалось достаточное количество проходящего через фурму газа, чтобы предотвратить попадание горячей жидкости в фурму и избежать риска того, что некоторое количество жидкости затечет в фурму, где оно охладится и затвердеет, что представляло бы серьезную проблему ее удаления до того, как фурма снова будет полностью пригодна для использования по своему назначению.

Во время работы к первым горячим газам из каждого ПГ через отверстия в соответствующей фурме добавлялось еще 90-200 нм³/ч природного газа. Кроме того, через каждую из этих фурм обычно добавляли дополнительный воздух со скоростью в диапазоне 100-250 нм³/ч. Таким образом, эти объемы квалифицируются как вторичные объемы газа.

Природный газ, который использовался в этом примере, содержал 84,206 об.% метана, 3,646 об.% этана, 0,572 об.% пропана и 9,966 об.% азота. Остаток менее 1 об.% составляли высшие алканы, прежде всего бутаны и пентаны.

Напротив каждой комбинации плазмогенератор-фурма была предусмотрена дополнительная фурма для вдувания дополнительного газа в печь, то есть также 3 фурмы на всю печь. Эти дополнительные фурмы или инжекторы представляют собой вторые погружные инжекторы в соответствии с настоящим изобретением. Они также были расположены для вдувания своих дополнительных газов в направлении, перпендикулярном стенке печи, но планируется изменение по сравнению с предпочтительным вариантом для вдувания под углом вверх в ванну.

Вторые погружные инжекторы были сконструированы с использованием фурмы того же типа, что и использующиеся после плазмогенераторов. Эти фурмы, а следовательно и фурмы после ПГ, охлаждаются водой, они имеют цилиндрическую форму, двойные стенки и выступают через стенку печи в пространство печи ниже уровня жидкой ванны, которая ожидается находящейся в печи во время работы. Фурмы предназначены для вдувания вторичных газов в двойную стенку фурмы. Внутренний цилиндр фурмы снабжен множеством отверстий, через которые вторичные газы попадают в центральный объем фурмы, через который проходят первичные газы, которые в случае ПГ выше по потоку будут горячими газами плазменного качества, образующимися в самом ПГ. Отверстия предпочтительно выполнены в виде патрубков для придания газу дополнительной скорости, чтобы способствовать смешиванию вторичных газов с первичными газами, проходящими через фурму. В случае вторых погружных инжекторов ПГ был заменен простой трубой, выступающей через фурму в направлении жидкой ванны и предпочтительно практически выступающей настолько, насколько фурма проходит в печь. Через эту трубу может проталкиваться первичный газ, такой как сжатый воздух, необязательно дополненный некоторым количеством природного газа. Некоторое количество дополнительного восстановителя, такого как мелкий порошкообразный уголь, может быть смешано с первичным газом или одним из его компонентов.

В каждый из трех дополнительных инжекторов во время работы подавалось количество первичных и вторичных газов в сумме 300-600 нм³/ч сжатого воздуха, в котором смешивалось 30-60 нм³/ч природного газа и, при необходимости, примерно 150-200 кг/ч угольной пыли в качестве дополнительного восстановителя. Угольная пыль имела средний размер частиц 120 мкм. Манометрическое давление газа перед дополнительной фурмой составляло 6 бар. Скорость газа в дополнительной фурме обычно была во время работы большей 330 м/с.

Для вдувания пылевидного угля использовалась система с двумя сосудами под давлением. Верхний сосуд действовал как гидрозатвор: он оставался при атмосферном давлении при его заполнении из бункера, расположенного сверху сосуда высокого давления, обычно через выпускной клапан. Бункер заполнялся посредством механического транспорта, обычно с использованием ленточного транспортера или шнека, а также необязательно посредством разгрузки больших мешков. После наполнения давление в этом сосуде повышалось до давления дутья. После этого нижний сосуд, поддерживаемый при давлении дутья, мог быть заполнен путем выгрузки в него содержимого из верхнего сосуда. Из нижнего сосуда обеспечивалась система дозированной подачи пылевидного угля во вдуваемый воздух. Затем воздух и пылевидный уголь транспортировались под давлением к дополнительным инжекторам и в жидкий шлак. Преимущество системы с двумя сосудами состоит в том, что поступление восстановителя в реактор можно сделать бесперебойным.

Все фурмы, плазмогенераторы и инжекторы были водоохлаждаемыми.

На верху печи был предусмотрен радиационный водоохладитель, выполненный в виде металлического цилиндра с двойными стенками, в котором отходящие из печи газы проходят через центр цилиндра, а охлаждающая вода проталкивается через стенку цилиндра.

В промежутке между верхом печи и радиационным водоохладителем допускается поступление окружающего воздуха, который смешивается с отходящими из печи газами. Испаряющийся цинк и присутствующий в газе СО вступают в контакт с кислородом воздуха, при высокой температуре газа эти вещества самовозгораются и образуют зону дожигания. Благодаря значительной тяге внутри печи и водоохладителя отходящие газы текут с высокой скоростью. Окружающий воздух может поступать через правильно спроектированные отверстия так, что он быстро и интенсивно смешивается с отходящими газами. В результате внутри радиационного водоохладителя устанавливается устойчивый фронт пламени, и часть его радиационного тепла излучается вниз, обратно из зоны дожигания в печь на жидкую ванну в печи. Верх печи и радиационный водоохладитель также снабжены множеством точек вдувания, через которые воздух под давлением может вдуваться в отходящие из печи газы. Эту возможность можно использовать одновременно с доступом окружающего воздуха через отверстия. Однако предпочтительно, чтобы отверстия для поступления окружающего воздуха были практически закрыты, и практически весь требуемый кислород вводился через точки вдувания. Этот режим работы предпочтительнее, потому что поступление кислорода более стабильно и лучше контролируется, чем в альтернативах, в которых допускается поступление воздуха за счет тяги.

Внутри зоны дожигания газ достигает температур вплоть до 1500°C.

Газ, выходящий из зоны дожигания, имел температуру примерно 1200°С. После радиационного водоохладителя в газовый поток вводили примерно 6-7000 литров воды в час. Эта стадия охлаждения распылением снижает температуру газа до примерно 220°C.

Влажный газ со стадии охлаждения распылением направляли к газовому фильтру, в котором пористые рукава из ПТФЭ расположены поверх цилиндрических патрубков, и рукава задерживали пыль, представленную окисленной формой испаряемого металла или соединения металла, образующуюся в зоне дожигания.

После газового фильтра вентилятор обеспечивает всасывание из печи и выдувание отфильтрованного газа в дымовую трубу.

Процесс фьюминга и фьюминговую печь эксплуатировали в периодическом режиме. Рабочие партии, представленные ниже, состояли из четко определенной последовательности различимых этапов способа. На различных этапах способа в реактор подавали большее или меньшее количество электроэнергии, пылевидного угля, воздуха и природного газа, в зависимости от желаемого эффекта. Работа ПГ, фурм и дополнительных инжекторов или фурм варьировалась в зависимости от этапа способа. Далее различные этапы описаны подробно.

Первый этап способа: заполнение печи жидкостью:

В начале периода 76900 кг жидкого шлака с предшествующего медеплавильного производства подавали в 4 шлаковых котла с массой нетто приблизительно 19 тонн каждый, измеренной взвешивающим прибором на мостовом кране, перемещающем шлаковые котлы между различными печами.

В предшествующем медеплавильном производстве шлак хорошо перемешивается перед его выливанием из плавильной печи. Поэтому состав шлака можно считать однородным. Содержание большинства металлов в шлаке измеряли с помощью атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ICP-AES), также называемой индуктивно-сопряженной оптической эмиссионной спектрометрией (ICP-OES), а иногда просто ICP, а для SiO₂ - с помощью рентгеновской дифракции (XRF). Используемый метод XRD представлял собой количественный рентгенодифракционный анализ с использованием программного обеспечения Topas Academic Software V5, с использованием Al₂O₃ в качестве внутреннего стандарта.

Таблица I: Состав исходного шлака

Элемент (мас.%) Анализ Cu 0,60 Pb 0,46 Sn 0,11 Ni 0,04 Fe 30,63 Si 0,00 Al 0,00 Zn 11,48 Bi 0,00 As 0,00 Sb 0,00 CaO 3,09 SiO₂ 25,07 Al₂O₃ 6,88

Для этого этапа способа ПГ были настроены на уровень мощности 1400 кВт каждый и средний расход воздуха примерно 437 нм³/ч на один ПГ в качестве первичного газа. В дополнение, использовались следующие вторичные газы. Расход природного газа через фурму регулировали на уровне 125 нм³/ч. Расход воздуха через фурму регулировали на уровне 100 нм³/ч.

Суммарный расход первичных и вторичных газов через дополнительные инжекторы в качестве вторых погружных инжекторов был установлен на 380 нм³/ч воздуха на инжектор, природный газ добавляли с расходом 44 нм³/ч. Вдувание пылевидного угля еще не было активировано на этом этапе способа.

Второй этап способа: стадия фьюмингования

После заполнения жидким шлаком начинали стадию фьюмингования. На этой стадии увеличивают подвод энергии и восстановителя, чтобы ускорить улетучивание цинка в виде пара.

ПГ были доведены до уровня мощности 2500 кВт каждый и среднего расхода первичного воздуха 714 нм³/ч на один ПГ. В дополнение использовали следующие вторичные газы. Природный газ подавали в каждую из фурм после ПГ, причем с расходом 148 нм³/ч. Дополнительный воздушный поток через фурму устанавливали на 100 нм³/ч.

Общий поток первичных и вторичных газов через дополнительные инжекторы подавали с расходом воздуха 380 нм³/ч на инжектор. Природный газ добавляли в каждый инжектор с расходом 44 нм³/ч. Вдувание пылевидного угля в каждый инжектор установили на уровне 180 кг/ч.

Подвод энергии и восстановителя вызывал фьюмингование летучих соединений из жидкого шлака. Самым летучим элементом был Zn. Он присутствовал в шлаке в виде оксида цинка (ZnO). Температуру в реакторе поддерживали в диапазоне 1180-1250°C, предполагая, что шлак оставался жидким. Благодаря различным восстановителям, т.е. пылевидному углю и различным подводам природного газа, ZnO восстанавливался до металлического цинка (Zn). При атмосферном давлении Zn может испаряться при температуре выше 906°С. Таким образом Zn испарялся из шлаковой ванны и транспортировался в качестве части технологических газов из печи в оборудование обработки отходящих из печи газов.

В канале отвода отходящих газов реактора большие количества воздуха смешивали с технологическими газами, вызывая полное дожигание технологических газов. Любой оставшийся CO, Zn, H₂ на этой стадии полностью окислялся. Цинк в виде пара окисляется до ZnO, образуя твердые частицы. Таким образом, этот ZnO образует пыль в потоке сгоревших отходящих газов. За этой стадией последующего сжигания или дожигания следует стадия охлаждения. На выходе стадии охлаждения температура технологических газов была ниже 220°С. Затем технологические газы фильтровали в рукавном фильтре с тканью из ПТФЭ. После фильтрации технологические газы откачивали в атмосферу через дымовую трубу. Частицы пыли ZnO улавливали на фильтре, охлаждали и хранили в бункере для пыли. Из бункера богатый цинком пылевой продукт можно было выгружать в грузовики-цистерны для перевозки сыпучих материалов на продажу.

Пробы отбирали во время фьюминга и анализировали быстрым, но чуть менее точным способом XRF. Когда был достигнут желаемый уровень Zn в шлаке в печи, фьюминг останавливали и начинали этап зачистки.

Третий этап способа: зачистка

Цель этого этапа состояла в том, чтобы окислить последний оставшийся в печной шихте пылевидный уголь и нагреть шлак до более подходящей температуры выпуска. Целевая температура составляла 1220-1250°C.

ПГ поддерживали работающими на уровне мощности 2500 кВт каждый и со средним расходом первичного воздуха 714 нм³/ч на один ПГ. В дополнение использовали следующие вторичные газы. Расход природного газа через фурму установили на 102 нм³/ч. Расход воздуха через фурму установили на 100 нм³/ч.

В качестве общего потока первичных и вторичных газов через дополнительные инжекторы в каждый из этих вторых погружных инжекторов подавали 380 нм³/ч воздуха и 44 нм³/ч природного газа. Вдувание пылевидного угля во время этой стадии зачистки прекращали.

Пробы шлака не брались после завершения стадии зачистки. Сразу же начинали выпуск.

Четвертый этап способа: выпуск и грануляция шлака

Цель этого этапа состоит в том, чтобы извлечь жидкий шлак из реактора. В боковой стенке реактора сверлили выпускное отверстие, и жидкий шлак выливался из реактора в желоб. Шлаковый продукт из этого желоба гранулировали посредством системы водной грануляции, в которой большой объем воды распылялся на падающий поток шлака, в результате чего жидкий шлак затвердевал и разбивался на твердые частицы размером ±1 мм.

ПГ продолжали работать во время этой стадии выпуска и грануляции на уровне мощности 2000 кВт каждый, со средним расходом первичного воздуха 606 нм³/ч на один ПГ. В качестве вторичных газов был установлен поток природного газа в фурму 128 нм³/ч, а затем поток воздуха непосредственно в фурму был установлен на 100 нм³/ч.

Дополнительные инжекторы также продолжали работать с расходом воздуха 380 нм³/ч на инжектор и расходом природного газа 44 нм³/ч в сумме для первичного плюс вторичного газов. Вдувание пылевидного угля прекращали.

Брали пробы конечного продукта после грануляции. Состав считался близким к составу шлака сразу после этапа фьюмингования.

Дополнительные рабочие параметры для ПГ на каждом этапе способа показаны в Таблице II, в которой «Энтальпия» рассчитывается из подводимой к ПГ мощности и расхода воздуха, подаваемого в ПГ.

Таблица II: Рабочие параметры ПГ

Этап Объемное соотношение воздух/природный газ Энтальпия, кВт·ч/нм³ Заполнение 5,5 3,2 Фьюминг 5,5 3,5 Зачистка 8 3,5 Гранулирование 5,5 3,3

Изменение состава шлака во время рабочего цикла иллюстрируется Таблицей III, в которой показаны результаты анализов проб шлака, отобранных после каждого этапа:

Таблица III: Изменение состава шлака

Элемент (мас.%) Питание После заполнения После фьюминга Гранулированный Cu 0,60 0,57 0,48 0,42 Pb 0,46 0,44 0,03 0,025 Sn 0,11 0,10 0,08 0,07 Ni 0,04 0,05 0,03 0,03 Fe 30,63 30,80 35,63 35,8 Zn 11,48 11,08 1,64 1,58 CaO 3,09 3,10 3,78 3,75 SiO₂ 25,07 25,15 29,64 29,82 Al₂O₃ 6,88 6,95 7,58 7,74

Состав выходного материала

Эта партия дала примерно 10500 кг фильтровальной пыли с показанным в Таблице IV составом, который был определен в результате ICP-анализа репрезентативной пробы:

Таблица IV: Состав продукта фильтровальной пыли

Фильтровальная пыль Мас.% Cu 0,09 Sn 0,09 Pb 2,98 Zn 73,46 Ni 0,00 Fe 0,91 Bi 0,49 As 0,00 Cl 0,79 Sb 0,00 S 0,05 Al 0,05 Co 0,05 Cd 0,00

Для целей сравнения был выполнен второй рабочий цикл, в ходе которого дополнительные фурмы еще не были установлены. Для того, чтобы обеспечить аналогичное количество восстановителя во время этапа фьюмингования, вводили то же самое количество углерода путем введения через загрузочное отверстие крупнозернистого нефтяного кокса с размером частиц в диапазоне 6-10 мм.

Количество и состав подаваемого жидкого шлака были сопоставимы с первой партией, как и время подачи, время зачистки и время выпуска. Главным образом различалось время фьюмингования.

Количества и составы продукта после грануляции и фильтровальной пыли были сопоставимы.

Время, необходимое на этапе фьюмингования для получения очень близкого содержания Zn в конечном шлаке, было значительно выше в этой сравнительной партии по сравнению с партией в соответствии с настоящим изобретением, которая была описана выше. Это означает, что сравнительная партия имела значительно более низкую скорость испарения цинка по сравнению с рабочим примером, а значит, настоящее изобретение значительно увеличило скорость испарения цинка во время этапа фьюмингования.

ПРИМЕР 2

В этом примере 2 использовалась та же печь, что и в примере 1, но с другой конфигурацией, относящейся к вдуванию газов через вторые погружные инжекторы. Подача природного газа и его качество были такими же.

На том же уровне или высоте трех комбинаций плазмогенератор-фурма на этот раз была предусмотрена только одна дополнительная комбинация инжектор-фурма в качестве единственного второго погружного инжектора для вдувания дополнительного газа и мелкого кокса в печь. Фурма охлаждалась водой, и через фурму, а затем через отверстия во внутренней стенке фурмы вдувался воздух с постоянным расходом 350-400 нм³/ч. Подача природного газа в этом примере не использовалась.

Инжектор, расположенный внутри комбинации дополнительный инжектор-фурма, подавал дополнительные газы в жидкую ванну шлака в направлении, перпендикулярном стенке печи. Во время работы в дополнительный инжектор в качестве первичных газов подавалось 100-400 нм³/ч сжатого воздуха, в который при необходимости подмешивалось примерно 100-700 кг/ч пылевидного угля в качестве дополнительного восстановителя. Пылевидный уголь имел средний размер частиц 120 мкм. Манометрическое давление сжатого газа перед сборкой второго погружного инжектора составляло 6 бар.

Скорость газа в комбинации дополнительный инжектор-фурма во время работы обычно превышала 150 м/с.

Первый этап способа: заполнение печи жидкостью:

На этом этапе использовались те же самые процедура, качества и количества, что и в Примере 1, со следующими исключениями.

Поток вторичных газов через единственную дополнительную фурму как часть комбинации одиночный дополнительный инжектор-фурма был установлен на 350 нм³/ч воздуха, и природный газ не добавлялся. Поток первичных газов через дополнительный инжектор как часть комбинации одиночный дополнительный инжектор-фурма был установлен на 200 нм³/ч воздуха. Вдувание мелкого кокса еще не было активировано на этом этапе способа.

Второй этап способа: стадия фьюмингования

Применялась та же самая процедура, что и в Примере 1.

ПГ были опять настроены на уровень мощности 2500 кВт каждый и средний расход первичного воздуха 714 нм³/ч на один ПГ. В дополнение использовали следующие вторичные газы. Природный газ подавали в каждую из фурм после ПГ с расходом 148 нм³/ч. Дополнительный поток воздуха через фурму устанавливали равным 100 нм³/ч.

Поток вторичного газа через дополнительную фурму как часть комбинации одиночный дополнительный инжектор-фурма составлял 350 нм³/ч воздуха, и природный газ не добавлялся. В качестве первичного газа расход через дополнительный инжектор как часть комбинации дополнительный инжектор-фурма был установлен на 200 нм³/ч воздуха. На этом этапе способа вдувание мелкого кокса было установлено на 700 кг/ч.

Температуру в реакторе поддерживали в диапазоне 1180-1250°C, предполагая, что шлак оставался жидким. Благодаря различным восстановителям, т.е. пылевидному углю и различным подводам природного газа, ZnO восстанавливается до металлического цинка (Zn). Таким образом Zn испарялся из шлаковой ванны и транспортировался в качестве части технологических газов из печи в оборудование обработки отходящих из печи газов.

Пробы брали во время фьюминга и анализировали быстрым, но чуть менее точным способом XRF. Когда был достигнут желаемый уровень Zn в шлаке в печи, фьюминг останавливали и начинали этап зачистки.

Третий этап способа: зачистка

Целевая температура снова составляла 1220-1250°C.

ПГ продолжали работать на уровне мощности 2500 кВт каждый и со средним расходом воздуха 714 нм³/ч на один ПГ. В дополнение использовали следующие вторичные газы. Расход природного газа через фурму установили на 102 нм³/ч. Расход воздуха через фурму установили на 100 нм³/ч.

Поток вторичного газа через дополнительную фурму как часть комбинации одиночный дополнительный инжектор-фурма был установлен на 350 нм³/ч воздуха, и природный газ не добавлялся. В качестве первичного газа расход воздуха через дополнительный инжектор как часть комбинации одиночный дополнительный инжектор-фурма был установлен на 200 нм³/ч воздуха. Вдувание мелкого кокса еще не было активировано на этом этапе способа.

Пробы шлака не брались после завершения этапа зачистки. Сразу же начинали выпуск.

Четвертый этап способа: выпуск и грануляция шлака

Применялась та же самая процедура, что и в Примере 1.

ПГ опять продолжали работать во время этого этапа выпуска и грануляции на уровне мощности 2000 кВт каждый, со средним расходом первичного воздуха 606 нм³/ч на один ПГ. В качестве вторичных газов использовали поток природного газа в фурму с расходом 128 нм³/ч и поток воздуха непосредственно в фурму с расходом 100 нм³/ч.

Поток вторичных газов через дополнительную фурму как часть комбинации одиночный дополнительный инжектор-фурма составлял 350 нм³/ч воздуха, и природный газ не добавлялся. В качестве первичного газа расход воздуха через дополнительный инжектор как часть комбинации одиночный дополнительный инжектор-фурма был установлен на 200 нм³/ч воздуха. Вдувание мелкого кокса еще не было активировано на этом этапе способа.

Брали пробы конечного продукта после грануляции. Состав считался близким к составу шлака сразу после этапа фьюмингования.

Дополнительные рабочие параметры для ПГ на каждом этапе способа были теми же самыми, что и показанные в Таблице II как части Примера 1.

Конечные результаты этого примера были очень похожи на результаты Примера 1, за исключением того, что они снова были получены за более короткое время, чем для партии, выполненной для целей сравнения в Примере 1.

Заявители обнаружили, что с вариантами осуществления в соответствии с настоящим изобретением, а также с Примером 2 может быть получено значительное увеличение производительности. Заявители считают, что этот эффект обусловлен комбинацией (i) более сильного перемешивания ванны, (ii) большего количества отгоночного газа, (iii) большего количества восстановителя и, вероятно наиболее важно, (iv) использования твердого восстановителя с намного меньшим размером частиц, так что восстановитель является намного более реакционноспособным. Этот эффект позволяет значительно быстрее выйти на заданные режимы фьюмингования по сравнению с крупнозернистым нефтяным коксом. Эта комбинация полезных эффектов позволила значительно ускорить этап фьюмингования при полной эксплуатации, о чем свидетельствует гораздо более быстрое увеличение тепла, которое необходимо отводить из зоны дожигания, а также то, что этап зачистки удалось очень значительно сократить по времени, почти на порядок величины, поскольку необходимое время удалось сократить с примерно четверти часа до всего лишь 2-3 минут. Фьюминговая печь со вторым(и) погружным(и) инжектором(ами) может работать более стабильно, с большей производительностью и ближе к максимуму своих возможностей.

Теперь, после полного описания этого изобретения, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что изобретение может быть осуществлено в широком диапазоне параметров, заявленных в формуле изобретения, без выхода за объем охраны изобретения, определяемый формулой изобретения.

Группа изобретений относится к области пирометаллургического извлечения цветных металлов, таких как медь, свинец, олово и цинк, из первичного и/или вторичного сырья с помощью фьюмингования. Печь для фьюмингования содержит ванную печь и оборудована по меньшей мере одной плазменной горелкой косвенного действия для генерирования первых горячих газов, по меньшей мере одним первым погружным инжектором для их вдувания, по меньшей мере одним вторым погружным инжектором, отличающимся от упомянутого по меньшей мере одного первого погружного инжектора, для вдувания дополнительного газа в печь и по меньшей мере одним источником сжатого газа и/или компрессором для подачи дополнительного газа в виде сжатого газа в упомянутый по меньшей мере один второй погружной инжектор. Печь также содержит зону дожигания, зону охлаждения и зону извлечения окисленной формы упомянутого по меньшей мере одного испаряемого металла или соединения металла. Печь применяют для фьюмингования по меньшей мере одного испаряемого металла или соединения металла из металлургической шихты, выбранной из медеплавильного шлака и шлака от рафинирования меди, а также их комбинаций. Обеспечивается увеличение производительности, ускорение фьюмингования и стабильная работа печи. 3 н. и 56 з.п. ф-лы, 4 табл., 2 пр.

1. Однокамерная печь для фьюмингования по меньшей мере одного испаряемого металла или соединения металла из металлургической шихты, содержащая ванную печь, способную содержать расплавленную шихту вплоть до определенного уровня, при этом печь оборудована по меньшей мере одной плазменной горелкой косвенного действия для генерирования первых горячих газов плазменного качества и по меньшей мере одним первым погружным инжектором для вдувания первых горячих газов из упомянутой по меньшей мере одной плазменной горелки ниже упомянутого определенного уровня, при этом печь дополнительно содержит зону дожигания для окисления упомянутого по меньшей мере одного испаряемого металла или соединения металла во фьюминговом газе с образованием окисленной формы упомянутого по меньшей мере одного испаряемого металла или соединения металла, зону охлаждения для охлаждения газа, образовавшегося в зоне дожигания, и зону извлечения, находящуюся после зоны охлаждения, для извлечения окисленной формы упомянутого по меньшей мере одного испаряемого металла или соединения металла из газа, образовавшегося в зоне дожигания и охлажденного в зоне охлаждения, отличающаяся тем, что печь дополнительно оборудована по меньшей мере одним вторым погружным инжектором, отличающимся от упомянутого по меньшей мере одного первого погружного инжектора, для вдувания дополнительного газа в печь ниже упомянутого определенного уровня в дополнение к первым горячим газам из упомянутой по меньшей мере одной плазменной горелки, причем печь дополнительно оборудована по меньшей мере одним источником сжатого газа и/или компрессором для подачи дополнительного газа в виде сжатого газа в упомянутый по меньшей мере один второй погружной инжектор.

2. Печь по п. 1, которая дополнительно содержит множество вторых погружных инжекторов.

3. Печь по п. 1 или 2, в которой упомянутый по меньшей мере один второй погружной инжектор направляет свой дополнительный газ во второй объем как часть внутреннего пространства печи ниже предопределенного уровня, который отличается от первого объема, в который направляет свои первые горячие газы плазменного качества упомянутый по меньшей мере один первый погружной инжектор.

4. Печь по любому из пп. 1-3, в которой упомянутый по меньшей мере один первый погружной инжектор расположен в боковой стенке печи, при этом упомянутый по меньшей мере один второй погружной инжектор расположен в стенке печи напротив упомянутого по меньшей мере одного первого погружного инжектора, предпочтительно по горизонтальному периметру печи, проходящему на практически той же самой высоте, что и упомянутый по меньшей мере один первый погружной инжектор.

5. Печь по любому из пп. 1-4, содержащая по меньшей мере два, а предпочтительно по меньшей мере три первых погружных инжектора, распределенных по горизонтальному периметру боковой стенки печи, при этом упомянутый по меньшей мере один второй погружной инжектор направляет свой дополнительный газ к той части внутреннего объема печи ниже предопределенного уровня, которая близка к вертикальной оси печи, и/или упомянутый по меньшей мере один второй погружной инжектор расположен вдоль боковой стенки печи на примерно равном расстоянии между положениями двух ближайших из по меньшей мере двух первых погружных инжекторов.

6. Печь по любому из пп. 1-5, дополнительно оборудованная по меньшей мере одной кислородно-газовой горелкой для генерирования дополнительных первых горячих газов сверх количества первых горячих газов плазменного качества из упомянутой по меньшей мере одной плазменной горелки.

7. Печь по п. 6, дополнительно оборудованная по меньшей мере одним третьим погружным инжектором для вдувания дополнительных первых горячих газов ниже упомянутого определенного уровня.

8. Печь по п. 7, в которой упомянутая по меньшей мере одна кислородно-газовая горелка расположена ниже упомянутого определенного уровня.

9. Печь по любому из пп. 1-8, в которой плазменная горелка расположена ниже упомянутого определенного уровня.

10. Печь по любому из пп. 1-9, в которой зона дожигания предусмотрена выше упомянутого определенного уровня как часть однокамерной печи.

11. Печь по любому из пп. 1-10, в которой зона дожигания содержит соединение с источником подачи кислородсодержащего газа, предпочтительно выбираемого из воздуха, обогащенного кислородом воздуха и очищенного газообразного кислорода.

12. Печь по любому из пп. 1-11, в которой зона охлаждения содержит радиационный водяной охладитель, за которым следует распылительный охладитель.

13. Печь по любому из пп. 1-12, в которой зона извлечения содержит зону фильтрации газа.

14. Печь по любому из пп. 1-13, причем печь имеет в целом цилиндрическую форму, предпочтительно печь также имеет коническую нижнюю секцию, сужающуюся к цилиндрической нижней секции меньшего диаметра, при этом цилиндрическая форма печи имеет наибольший внутренний диаметр d, и печь имеет общую внутреннюю высоту h от дна до верха, причем отношение h к d составляет по меньшей мере 0,75.

15. Печь по п. 14, причем печь содержит коническую нижнюю секцию, и при этом определенный уровень находится примерно на той высоте, где цилиндрическая форма переходит в коническую нижнюю секцию.

16. Печь по любому из пп. 1-15, причем печь снабжена внутренней огнеупорной футеровкой.

17. Печь по любому из пп. 1-16, в которой периферийные стенки печи являются водоохлаждаемыми.

18. Способ фьюмингования по меньшей мере одного испаряемого металла или соединения металла из металлургической шихты с использованием однокамерной печи по любому из пп. 1-17, содержащий этапы:

- введение в печь металлургической шихты, содержащей упомянутые по меньшей мере один испаряемый металл или соединение металла, и формирование ванны расплавленной шихты до определенного уровня;

- фьюмингование некоторого количества по меньшей мере одного испаряемого металла или соединения металла из ванны с использованием горячих газов плазменного качества из упомянутой по меньшей мере одной плазменной горелки и по меньшей мере одного восстановителя, в результате чего получается фьюминговый газ, содержащий испаряемый металл или соединение металла;

- дожигание в зоне дожигания фьюмингового газа для окисления упомянутого по меньшей мере одного испаряемого металла или соединения металла в окисленную форму упомянутого по меньшей мере одного испаряемого металла или соединения металла,

- выведение образовавшегося в печи газа из печи и извлечение в зоне извлечения окисленной формы упомянутого по меньшей мере одного испаряемого металла или соединения металла из образовавшегося на этапе дожигания газа;

при этом во время по меньшей мере части этапа фьюмингования вдувают дополнительный газ упомянутым по меньшей мере одним вторым погружным инжектором в ванну ниже упомянутого определенного уровня, тем самым увеличивая количество паров, содержащих испаряемый металл или соединение металла.

19. Способ по п. 18, в котором количество дополнительного газа, вдуваемого через упомянутый по меньшей мере один второй погружной инжектор, составляет по меньшей мере 10% от выраженного в объемных единицах при нормальных условиях количества первых горячих газов, которые могут быть произведены одним элементом упомянутой по меньшей мере одной плазменной горелки, имеющей наивысшую номинальную мощность, когда эта горелка подает первые горячие газы, имеющие энтальпийное содержание по меньшей мере 3,5 кВт⋅ч/нм³.

20. Способ по п. 18 или 19, в котором печь содержит множество вторых погружных инжекторов, и при этом количество дополнительного газа, вдуваемого через каждый второй погружной инжектор, составляет по меньшей мере 10% от выраженного в объемных единицах при нормальных условиях количества первых горячих газов, которые могут быть произведены одним элементом упомянутой по меньшей мере одной плазменной горелки, имеющей наивысшую номинальную мощность, когда эта горелка подает первые горячие газы, имеющие энтальпийное содержание по меньшей мере 3,5 кВт⋅ч/нм³.

21. Способ по любому из пп. 18-20, в котором дополнительный газ, вдуваемый через упомянутый по меньшей мере один второй погружной инжектор, содержит по меньшей мере один газ, выбираемый из группы, состоящей из водорода, азота, воздуха, диоксида углерода, аргона, неона, гелия, метана, этана, пропана, бутана и их комбинаций, предпочтительно азот или воздух, более предпочтительно воздух, а еще более предпочтительно сжатый воздух.

22. Способ по любому из пп. 18-21, в котором дополнительный газ, вдуваемый через упомянутый по меньшей мере один второй погружной инжектор, термически обрабатывают перед упомянутым по меньшей мере одним вторым погружным инжектором для того, чтобы изменить его энтальпийное содержание, а предпочтительно термообработку дополнительного газа осуществляют с использованием по меньшей мере одного теплообменника.

23. Способ по любому из пп. 18-22, в котором температура дополнительного газа, входящего в упомянутый по меньшей мере один второй погружной инжектор, самое большее равна температуре ванны в печи, а предпочтительно по меньшей мере на 100 градусов Цельсия ниже температуры ванны.

24. Способ по любому из пп. 18-23, в котором дополнительный газ, вдуваемый через упомянутый по меньшей мере один второй погружной инжектор, содержит по меньшей мере один первый восстановитель.

25. Способ по п. 24, в котором первый восстановитель представляет собой твердое вещество.

26. Способ по любому из пп. 18-25, в котором дополнительный газ, вдуваемый через упомянутый по меньшей мере один второй погружной инжектор, дополнительно содержит кислород и количество топлива, подходящее для того, чтобы при его сжигании в рабочих условиях в печи ввести в печь такую энтальпию, которая компенсирует по меньшей мере 50% охлаждающего эффекта, который дополнительный газ может оказывать на печь в том случае, если дополнительный газ находится в точке вдувания при такой температуре, которая ниже температуры расплавленной шихты в печи.

27. Способ по любому из пп. 18-26, в котором дополнительный газ, вдуваемый через упомянутый по меньшей мере один второй погружной инжектор, имеет значение лямбда менее 1,0.

28. Способ по любому из пп. 18-27, в котором дополнительный газ, вдуваемый через упомянутый по меньшей мере один второй погружной инжектор, является горючим и дополнительный газ в упомянутом по меньшей мере одном втором погружном инжекторе достигает более высокой скорости, чем скорость распространения пламени в дополнительном газе.

29. Способ по любому из пп. 18-28, в котором упомянутый по меньшей мере один испаряемый металл или соединение металла представляет собой металл в его элементарной форме или испаряемое металлсодержащее соединение, причем предпочтительно металл выбран из группы, состоящей из цинка, свинца, олова, висмута, кадмия, индия, германия и их комбинаций, а также предпочтительно металлсодержащее соединение выбрано из хлорида, оксида, сульфида и их комбинаций.

30. Способ по п. 29, в котором в печь добавляют менее благородный металл, чем металл в испаряемом металле или соединении металла, при этом менее благородный металл представляет собой металл, который труднее восстанавливается, а значит, в условиях работы печи более легко образует окисленную форму, предпочтительно железо и/или алюминий.

31. Способ по любому из пп. 18-30, в котором в первые горячие газы плазменного качества перед упомянутым по меньшей мере одним первым погружным инжектором добавляют второй восстановитель.

32. Способ по п. 31, в котором второй восстановитель выбран из газа, жидкости, твердого вещества и их комбинаций.

33. Способ по любому из пп. 18-32, содержащий этап регулирования кислородного потенциала в шлаке в пределах диапазона от 10 до 10^-9 Па.

34. Способ по любому из пп. 18-33, в котором дожигание осуществляют внутри однокамерной печи.

35. Способ по любому из пп. 18-34, в котором дожигание содержит введение в зону дожигания кислородсодержащего газа, предпочтительно выбираемого из воздуха, обогащенного кислородом воздуха и очищенного газообразного кислорода.

36. Способ по любому из пп. 18-35, в котором окисленную форму упомянутого по меньшей мере одного испаряемого металла или соединения металла извлекают из газа в виде пыли.

37. Способ по любому из пп. 18-36, в котором извлечение из газа окисленной формы упомянутого по меньшей мере одного испаряемого металла или соединения металла содержит фильтрование газа, содержащего окисленную форму упомянутого по меньшей мере одного испаряемого металла или соединения металла, с использованием фильтра, предпочтительно фильтровальной ткани.

38. Способ по любому из пп. 18-37, дополнительно содержащий этап охлаждения перед извлечением из газа окисленной формы упомянутого по меньшей мере одного испаряемого металла или соединения металла.

39. Способ по любому из пп. 18-38, содержащий формирование расплавленной металлической фазы и дополнительно содержащий этап удаления расплавленной металлической фазы из печи.

40. Способ по любому из пп. 18-39, в котором металлическая шихта содержит шлак, и при этом шлак содержит серу и/или соединения серы, а способ дополнительно содержит этап формирования расплавленной фазы штейна и дополнительный этап удаления расплавленной фазы штейна из печи.

41. Способ по любому из пп. 18-40, в котором металлургическую шихту вводят в печь в виде жидкости.

42. Способ по любому из пп. 18-41, в котором металлургическая шихта представляет собой металлургический шлак, и при этом способ производит второй шлак.

43. Способ по п. 42, в котором расплавленный шлак имеет среднюю температуру менее чем на 50 градусов Цельсия выше температуры ликвидуса шлака.

44. Способ по п. 42 или 43, в котором к ванне в печи добавляют оксид, выбираемый из CaO, Al₂O₃ и их комбинаций, предпочтительно при температуре в ванне по меньшей мере 1000°C, предпочтительно примерно 1150°C.

45. Способ по любому из пп. 42-44, дополнительно содержащий этап охлаждения второго шлака для превращения его в твердое вещество, причем предпочтительно сначала второй шлак удаляют из печи в виде жидкости.

46. Способ по п. 45, в котором охлаждение осуществляют путем контактирования жидкого второго шлака с водой.

47. Способ по п. 45 или 46, в котором второй шлак охлаждают со скоростью по меньшей мере 30 градусов Цельсия в секунду.

48. Способ по любому из пп. 45-47, дополнительно содержащий этап размола твердого второго шлака, предпочтительно размола второго шлака в порошок.

49. Способ по любому из пп. 45-48, в котором второй шлак охлаждают со скоростью менее 40 градусов Цельсия в секунду.

50. Способ по любому из пп. 45-49, дополнительно содержащий этап добавления второго шлака в качестве связующего или агрегата во время производства объекта для строительной промышленности.

51. Способ по п. 50, в котором шлак используется в качестве связующего и объект дополнительно содержит агрегат, который предпочтительно содержит песок и/или второй шлак.

52. Способ по п. 51, дополнительно содержащий добавление активатора во время производства объекта.

53. Способ по п. 52, в котором активатор выбран из группы, состоящей из гидроксида натрия, NaOH, гидроксида калия, KOH, силиката натрия, Na₂SiO₃, силиката калия, K₂SiO₃ и их комбинаций.

54. Способ по любому из пп. 50-53, в котором объект для строительной промышленности является строительным элементом.

55. Способ по п. 54, в котором строительный элемент выбран из перечня плитки, брусчатки, блока, бетонного блока и их комбинаций.

56. Способ по любому из пп. 50-55, в котором объект для строительной промышленности имеет вспененную структуру.

57. Способ по любому из пп. 18-56, в котором по меньшей мере часть способа отслеживается и/или управляется электронно, предпочтительно с помощью компьютерной программы.

58. Применение однокамерной печи по любому из пп. 1-17 в качестве аппарата для фьюмингования по меньшей мере одного испаряемого металла или соединения металла из металлургической шихты, выбранной из медеплавильного шлака и шлака от рафинирования меди, а также их комбинаций.

59. Применение по п. 58, в котором испаряемый металл или соединение металла выбирается из цинка, свинца, олова, висмута, кадмия, индия, германия и их комбинаций.