Thermochemical Modelling of the Zinc Recycling - Waelz - Process (SDHL - Process)

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1 Thermochemical Modelling of the Zinc Recycling - Waelz - Process (SDHL - Process) Jürgen Korb GTT-Technologies, Freiberg/Sachsen

2 The SDHL - waelz - process is a newly developed procedure for the recycling of zinc in the rotary waelz furnace. The input materials are various dusts of steelworks and others. This special procedure is patented by the B.U.S. Zinkrecycling Freiberg GmbH.

3 Primary objective: Reduction of the input of coke To this is necessary Setting up a heat and mass balance for the process in the rotary kiln

4 Thermodynamic Datafile ChemApp - Interface ChemSage Minimierung der freien Enthalpie Excel worksheet

5 SDHL - Waelz - Process Flow sheet 1. Input materials Air, Gas 3. Gas cleaning slag 2. Rotary kiln Waelz oxide GTT- Technologie s GTT-Workshop 2003

6 1. Input materials: - Recording of the amounts of substance - Thermodynamic characterisation 2. Process in the rotary kiln: - Specification of the process steps - Specification of the process parameter (e.g. temperatures, streams of substances and the directions) 3. Gas cleaning: - Specification of the process steps - Specification of the streams of substances - Thermodynamic characterisation

7 All Input materials Vorlauf Dolomitkalk Weißkalk REA-Gips Koksgrus Petrolkoks Gesamt Zusammensetzung Vorlaufstoffe Dimension Zn-haltig Zuschlag grobkörnig Feinkörnig Beschickung Beschickung % Cu kg/h Zn kg/h Pb kg/h Sb kg/h As kg/h Sn kg/h Ag kg/h Ni kg/h Hg kg/h N.N. kg/h Fe kg/h Cd kg/h Mo kg/h Cr2O3 kg/h MnO kg/h TiO2 kg/h P2O5 kg/h S-S kg/h S[O4-S] kg/h C kg/h H kg/h CO2 kg/h Cl kg/h F kg/h O2 kg/h Fe[O] kg/h SiO2 kg/h CaO kg/h Al2O3 kg/h MgO kg/h Na2O kg/h K2O kg/h Rest kg/h Menge trocken kg/h Wassermenge kg/h Gesamtmenge feucht kg/h Vorlauf Dolomitkalk Weißkalk REA-Gips Koksgrus Petrolkoks Gesamt Zusammensetzung Zn-haltig Zuschlag grobkörnig Feinkörnig Beschickung Beschickung

8 Zn containing Input materials Thermochemisch stabile Phasen im "Zn-Staub" berechnet für / C/: 900 Phasen Menge Anteil Menge S-S-Menge SO4-S-Menge Zn-Menge Zn-Gehalt kg Masse-% mol kg kg kg Masse-% ZnO Fe3O4_magnetite Ca3MgSi2O8_mervinite MnFe2O NaCl Pb4SO CaSO4(S1) FeCr2O CaMgSiO4_monticell(S1) Zn2SiO ZnAl2O KCl CaF CuAl2O PbCl CdFe2O AlAsO SnO Ca3Fe2Si3O12_andradi(S1) Ca4Ti3O NiFe2O PbS ZnS Gesamt: O2-Menge (Analysen) kg: O2-Menge (Berechnung) kg: 2262 Die O 2 -Menge wird hier so eingestellt, bis die S-S-Menge (in mol) der Analysen bei der Phasenzusammensetzung im Zn-Staub erreicht wird, ohne ZnS!. Siehe dazu die Tabelle im Blatt "Analysen" --> 0 kg S-S Element Molmasse kg SO4-S g/mol S Zn Ca C

9 CaO_lime Input materials Thermochemisch stabile Phasen im "Branntkalk" (Weißkalk) berechnet für / C/: 600 Phasen Menge Anteil Menge Activity kg Masse-% mol CaO_lime(S1) CaCO Ca2SiO4(S1) Ca2Fe2O5(S1) Ca3Al2O MgO_periclase(S1) Fe E-20 Gesamt: Für Itterationsrechnung: Komponente Menge / kg O Die Einstellung der O-Menge erfolgt so bis im Rückstand alles Eisen oxidiert ist. Es wird dazu eine Target-Berechnung durchgeführt mit dem Ziel, daß sich eine überschüssige O 2 -Menge von etwa 1E-8 mol in der Gasphase bildet - im -Modell. Dazu werden alle übrigen Gasspezies unterdrückt.

10 Thermochemisch stabile Phasen im "REA-Gips" berechnet für / C/: 25 REA_Gypsum Input materials Phasen Menge Anteil Menge Menge SO4-S Menge S-S kg Masse-% mol kg kg CaSO4(H2O)2(S1) CaSO4(S1) SiO2_quartz(low) CaF CaS Ca3Si2O7(S1) ZnS CaCl PbS E Ca(OH) As2S E NiS E Cr2O E CdS E Gesamt: Zusätzlicher Einsatz: Menge /kg/ Durch zusätzlichen Einsatz von Sauerstoff (O) und Calcium (Ca) werden die O 9.31 Gehalte an SO4-S und S-S entsprechend der Analysenwerte eingestellt! Ca Einsatzmasse (Analysen) : kg

11 Coke (industrial) Input materials Thermochemisch stabile Phasen im "Koksgrus" berechnet für / C/: 600 Phasen Menge Anteil Menge S-S-Menge Activity kg Masse-% mol kg C_GRAPHITE Ca3Al2Si3O12_grossul(S1) Fe3O4_magnetite(S2) CaMgSi2O6_diopside(S1) Fe2SiO4_fayalit(S1) FeS_fes_troilite(s2)_SGPS Ca3Fe2Si3O12_andradi(S1) KAlSi2O6_leucite(rhf(S1) CaAl2Si2O8_anorthite Na2Ca3Si6O16(S1) CaCO Gesamt: Fe-Vorlauf durch Analyse (kg): Die Menge an O 2 wird wie folgt dimensioniert: O2-Vorlauf aus Analyse (kg): Der Schwefel S ist vollständig als Sulfid gebunden. Korr. Zugabe von O2 (kg): 4 - Es tritt kein Karbonat auf! - Es erfolgt keine zusätzliche Fe-Zugabe!

12 Petrol coke Input materials Thermochemisch stabile Phasen im "Petrolkoks" berechnet für / C/: 600 Phasen Menge Anteil Menge CO2-Menge CO2-Menge S-S-Menge S-S-Menge kg Masse-% mol mol kg mol kg C_GRAPHITE S (elementar) CaCO FeCO KAlSi2O6_leucite(rhf(S1) MgCO K2SO Na2SO Al2O3_corundum(alpha(S4) TiO2<RUTILE> FeS2_fes2_pyrit(s2)_SGPS AlPO MnCO KCl E Na2CO H/GAS/ 1) Gesamt: ) Keine Berücksichtigung bei der Phasenermittlung! S-S im Vorlauf (Analysen) /kg/: Die O 2 -Menge wird so eingestellt, daß der bei den Analysen angegebene CO2-Vorlauf (Analysen) /kg/: CO 2 -Gehalt und S-S-Gehalt erreicht werden, ohne Sulfat-Bildung! Molmasse CO2 (g/mol): Der Wasserstoff bleibt unberücksichtigt, da er sonst zu einer unzulässigen Molmasse H (g/mol): CH4-Bildung führt!

13 Prozeßschema - Wälzofen Stufe 3: Oxydation der Gasphasen Stufe 4: Abkühlung Gasphase Luft: Gasphase Einsatzstoffe: Feuchte T/ C/: 25 Temp. / C/ 25 O2 (mol): Zn-haltige Stäube N2 (mol): Wälzschlacke Wälzgut Branntkalk Temperatur / C/: 1100 Temperatur / C/: 1000 REA-Gips Menge (kg): Menge (kg): Koksgrus Petrolkoks Luft: Gasphase: Reaktionsgas: Abgas Temp. / C/ 25 Temperatur / C/: 1200 Temperatur / C/ 850 O2 (mol) Gasphase Gas (kg): Gesamtmenge (kg): N2 (mol) Kond.Phasen (kg): Austrag Stufe 2: Oxydation Wälzschlacke Stufe 1: Zn-Verflüchtigung Stufe: Temperatur /C/ Koksfaktoren Nr. Feuchte: Temperatur ( C): Menge (mol): Menge (kg): Auswahl : 1 Gültiger Koksfaktor: 0 Erläuterung: * Mit rot markierte Einträge können auf dieser Seite gewählt werden! H2O (g/mol): * Blau markierte Einträge stellen abhängige Werte dar. Sie werden berechnet! * Als Zeiteinheit gilt eine Stunde!

14 Gas cleaning Schema der Abgasbehandlung Prozeßstufe - Abgas Fuchs (Wälzofen) Abgas > Temperatur ( C): > Menge (mol/s): > Koksfaktor : 0.80 Kond. Phasen Kond. Phasen Kond. Phasen Kond. Phasen Kond. Phasen Kond. Phasen Kond. Phasen Kond. Phasen

15 4000 Gas cleaning Kondensierte Phasen in der Abgasstrecke (siehe Koksfaktor) 3500 Menge (mol) ZnO NaCl PbO<YELLOW> KCl Na2SO4 PbCl2 CdCl2 CdO Pb3Cl2O WO - Fuchs Prozeßstufe