Einleitung
Die derzeit in der Kupferpyrometallurgie laufenden Prozesse basieren teilweise auf fossilen Brennstoffen und Reduktionsmitteln, wobei klimarelevante Emissionen wie CO2 entstehen. Der klassische Schachtofenprozess wird mit Stückkoks als hauptsächlichem Energieträger und Reduktionsmittel betrieben. Die Chargierung des Stückkokses erfolgt über den Ofenkopf, wobei eine gleichmäßige Verteilung auf der Düsenebene für die metallurgische Reduktion nicht sichergestellt werden kann und es dauert jeweils eine bestimmte Zeit, bis sich Änderungen auf den Ofenprozess auswirken. Somit ist eine kontrollierte Prozessführung schwierig einstellbar. Die Injektion reaktiver bzw. reduzierend wirkender Gase via Lanzen kann die Reaktion unmittelbar und kontrolliert beeinflussen. Jedoch sind die Reaktionen im Ofenprozess bei der Kupfersekundärmetallurgie noch nicht vollständig geklärt.
Die Verarbeitung komplexer feinkörniger Materialien (siehe Abbildung 1) ist nach wie vor eine Herausforderung, da eine wirksame Agglomeration für den Schachtofeneinsatz nicht mit allen feinkörnigen Materialien möglich ist und zudem erhebliche Kosten anfallen. Die Injektion von komplexem Kupfersekundärmaterial als Alternative zur relativ aufwendigen Agglomeration ist jedenfalls attraktiv. Allerdings sind das Verhalten der Materialien bei der pneumatischen Injektion sowie die dabei ablaufenden metallurgischen Reaktionen noch nicht hinlänglich bekannt.
Komplexe Recyclingmaterialien erschweren die metallurgische Raffination (siehe Abbildung 2) und erfordern Prozessänderungen, um einerseits die Produktqualitäten zu halten und andererseits, um bestimmte Wertelemente zusätzlich ausbringen zu können. Komplexe Recyclingmaterialien beinhalten Nickel, Zink, Blei, Zinn, Kobalt, Bismut und weitere Elemente, welche in der herkömmlichen Verfahrensroute Probleme machen bzw. teilweise nicht ausgebracht werden können. Zudem erhöhen diese komplexen Materialien auch den Energiebedarf und somit den CO2-Ausstoß. Zur Erreichung der Klimaziele ist die Verwendung von Wasserstoff als Reduktionsmittel bzw. die Nutzung von reduzierend wirkenden Anteilen in den Sekundärrohstoffen daher erforderlich.
Ziele und Motivation
- Partielle Kokssubstitution beim Kupferraffinationsprozess durch die Injektion alternativer gasförmiger Reduktionsmittel
- Methoden der Raffination komplexer kupferhaltiger Sekundärrohstoffe zur Abtrennung von Störstoffen
- Verringerung der Wertmetallverluste in der Prozessschlacke
Vorgehensweise
Fundierte Literaturstudien und begleitende thermodynamische Berechnungen stellen den Beginn der geplanten Methodik dar. Der Stand der Technik sowie das Wissen anderer Forschungsgruppen bei der Injektion gasförmiger Reduktionsmittel sowie feinkörniger Materialien in der Kupfer-Schachtofenpyrometallurgie soll als Basis zur Weiterentwicklung des Raffinationsprozesses am Standort des Industriepartners dienen. Die thermodynamischen Berechnungen sollen Aufschluss über die zu erwartenden Reaktionsgleichgewichte und Kinetiken geben.
Basierend auf den theoretischen Erkenntnissen sind experimentelle Versuche und Kampagnen im Labormaßstab sowie an der realen Schachtofenanlage geplant. Diese sollen die Machbarkeit und Tauglichkeit der entwickelten Konzepte bewerten und die thermodynamischen Berechnungen auf ihre Richtigkeit überprüfen. Während der Versuche an der großindustriellen Anlage sind begleitende Abgasanalysen (CO, CO2, CH4, O2, NOX, H2) vorgesehen.
Ergebnisse und Anwendung
Aus dem Projekt sollen Vorschläge zur Anpassung bestehender Lanzensysteme für die Injektion von alternativen Reduktionsmitteln wie etwa Wasserstoff erarbeitet sowie die optimalen Betriebsparameter definiert werden. Für die Raffination kupferhaltiger Sekundärrohstoffe und werksinterner Kreislaufstoffe sollen am Projektende geeignete Rezepturen feinkörniger Mischungen und ein industrielles Eindüsungssystem vorliegen. Anhand der Ergebnisse werden Aussagen hinsichtlich der Zusammensetzung der Produktphasen sowie bezüglich der Verteilung der Elemente (Wertmetalle) in diesen Phasen erwartet. Darauf basierend soll die weitere Verwendung bewertet werden.