Способ получения специальных видов клинкеров и сопутствующих металлов из отходов производств

 

Изобретение относится к получению тугоплавких, металлических и неметаллических материалов, преимущественно специальных видов клинкера, имеющих высокую степень вязкости расплава и сопутствующих металлов и может быть использовано также в металлургии и химической технологии. Технический результат - использование огненно-жидкого шлака и экономия удельных энергозатрат, утилизация промышленных отходов, извлечение металлов, значительное повышение качества получаемого продукта - клинкера, значительная интенсификация процесса образования необходимых минералов. В способе получения специального цементного клинкера и сопутствующих цветных металлов в реакторе с плазменно-дуговым и индукционным нагревом путем подачи в камеру реактора через его каналы сырьевой смеси, содержащей техногенные отходы химических производств, содержащих цветные металлы, ее нагрева до температуры 2100°С и расплавления с получением указанного цементного клинкера, с последующим его охлаждением, с селективным извлечением при расплавлении цветных металлов, оседающих в подовой части реактора, и конденсирующихся из паров легко возгоняемых металлов, указанные техногенные отходы – алюминатные и/или силикатные, и указанная смесь дополнительно содержит химические соединения фракции до 10 мм, обеспечивающие при их плавлении получение указанного клинкера, нагрев ведут в течение 1-10 минут, а в камеру дополнительно подают отходы металлургического производства в виде огненно-жидкого шлака с температурой до 1800°С. В качестве техногенных отходов могут быть использованы отработанные катализаторы. В качестве указанных химических соединений могут быть использованы известковые флюсы и/или высокоалюминатные материалы. Охлаждение указанного клинкера может быть осуществлено путем подачи его расплава с температурой 1800°С через течку камеры на вращающиеся вокруг своей оси в противоположные стороны друг от друга водоохлаждающиеся изнутри цилиндры-грануляторы, позволяющие управлять во времени процессом охлаждения расплава указанного цементного клинкера до заданной температуры – 60°С, при этом скорость вращения и количество охлаждающего агента позволяют установить скорость охлаждения равной 55°С/мин до степени кристаллизации и проводить охлаждение клинкера в течение 1-30 минут, поэтапно превращая его жидкую фазу в твердую, формируя при этом необходимые минералы. 3 з.п.ф-лы, 1 ил., 3 табл.

Предлагаемое изобретение относится к получению тугоплавких, металлических и неметаллических материалов, преимущественно специальных видов клинкера, имеющих высокую степень вязкости расплава и сопутствующих металлов.

Известен способ получения цементного клинкера, включающий плавление сырьевой смеси с использованием электрической дуги, при котором плавлению подвергают сырьевую смесь фракции 0,05-20 мм с влажностью до 2% при температуре 1600-1800°С в течение 0,1-30 мин в нейтральной газовой среде или среде с содержанием до 8% кислорода (патент РФ №2040497, С 04 В 7/44 от 27.07.95 г., бюл. №21).

Недостатки указанного способа следующие.

При осуществлении способа между электродом-анодом, установленным в своде печи, зажигается электродуга, которая расплавляет сырьевой материал, поданный в ванну, образуя токопроводящий участок в толще расплава. Зеркало поверхности жидкотекучего расплава ограничено величиной, равной двум диаметрам электрода, т.е. разогрев материала локализован и расположен в толще слоя расплава вокруг общей вертикальной оси между разноименными электродами.

Производительность при таком способе обработки, зависящая, в частности, от величины ванны расплава, ограничена, т.к. в периферийной зоне ванны вязкий расплав застывает и не выливается из печи. Форсирование мощности дуги при ее растягивании по вертикали путем перемещения (поднятия) катода приводит к перегреву стен и свода камеры печи, что, в свою очередь, приводит к оплавлению последних, увеличению потерь тепла в окружающую среду, перегреву и ускоренному выгоранию графитового электрода-катода.

Кроме того, перемешивание расплава также локализовано, что приводит к ухудшению качества готового продукта расплава, например цементного клинкера. Температура, ограниченная величиной 1800°С, недостаточна для придания жидкотекучего состояния многим видам тугоплавких материалов с высокой вязкостью расплава, в частности портландцементного клинкера с высокими коэффициентами насыщения, являющимися определяющими при получении высококачественного продукта.

Известен способ извлечения металлов из металлосодержащих отработанных катализаторов на основе оксидов алюминия и (или) кремния, включающий переработку их при нагреве (патент РФ №2075526 С1, 6 С 22 В 7/00 от 31.07.95 г., бюл. №8).

Основными недостатками известного способа являются невозможность использования отходов металлургических производств как в виде огненно-жидких, так и в виде гранулированных шлаков, большие энергозатраты, невысокая производительность.

Наиболее близким из аналогов является способ по патенту RU №2176277 от 27.11.2001 г.

Заявляемое изобретение направлено на решение задач возможности использования в качестве сырьевых компонентов техногенных отходов металлургических производств в виде огненно-жидких шлаков, в виде алюминатных и(или) силикатных отработанных катализаторов химических производств, возможность получения из вышеперечисленных техногенных отходов специальных видов искусственных вяжущих с добавлением известковых флюсов и(или) глиноземистых материалов, возможность получения цветных металлов из отработанных катализаторов и техногенных отходов с их селективным осаждением в донной фазе, затрачивая при этом только 30% энергии внешнего источника от необходимых 100% электрической энергии, затрачиваемой для производства искусственного вяжущего (специального цементного клинкера: высокоглиноземистого, глиноземистого, портландского и монофазного составов) и сопутствующих цветных металлов.

Поставленная цель достигается тем, что в способе получения специального цементного клинкера и сопутствующих цветных металлов в реакторе с плазменно-дуговым и индукционным нагревом путем подачи в камеру реактора через его каналы сырьевой смеси, содержащей техногенные отходы химических производств, содержащих цветные металлы, ее нагрева до температуры 2100°С и расплавления с получением указанного цементного клинкера, с последующим его охлаждением, с селективным извлечением при расплавлении цветных металлов, оседающих в подовой части реактора, и конденсирующихся из паров легко возгоняемых металлов, указанные техногенные отходы - алюминатные и/или силикатные, а указанная смесь дополнительно содержит химические соединения фракции до 10 мм, обеспечивающие при их плавлении получение указанного клинкера, нагрев ведут в течение 1-10 минут, а в камеру дополнительно подают отходы металлургического производства в виде огненно-жидкого шлака с температурой до 1800°С.

В качестве техногенных отходов используют отработанные катализаторы.

В качестве указанных химических соединений используют известковые флюсы и/или высокоалюминатные материалы.

В данном способе в получении специальных клинкеров и цветных металлов используется плазменный реактор (см. чертеж), состоящий из металлического корпуса 1, специальной высокотемпературной футеровки 2, двух графитовых плазмотронов, имеющих внутри коаксиальный канал, расположенных в крышке реактора катода 3 и анода 4 с полками и(или) шнеком (на чертеже полки и шнек условно не показаны) внутри плазмотрона, четырех дозаторов 5 с летками 6 для ввода алюминатных и(или) силикатных отработанных катализаторов 7 химических производств, содержащих цветные металлы в смеси с известковыми флюсами и(или) высокоалюминатными материалами; в результате образуется гарнисаж 8 в виде конусных откосов, соответствующих боковых каналов 9, расположенных тангенциально относительно корпуса камеры 1 для ввода отхода металлургических производств в виде огненно-жидких шлаков 10, индукционной катушки 11 для гомогенизации расплавленного материала, копирной дорожки 12, двух сливных леток 13, 14 для вывода из реактора расплавов клинкеров 15 и расплавов металлов 16 из подовой части 17, вращающиеся вокруг своей оси в противоположные стороны друг от друга водоохлаждаемые изнутри длинные цилиндры (гранулятор) 18 для охлаждения специального цементного клинкера 19.

Способ осуществляется следующим образом.

Из предварительно дробленых сырьевых материалов и катализаторов, содержащих цветные металлы (никель, кобальт, вольфрам, молибден, литий и т.д.) в смеси с известковыми флюсами и(или) высокоалюминатными материалами путем их смешения были приготовлены сырьевые смеси (поз.7) для добавления к огненно-жидким шлакам (поз.10) - отходам металлургического производства для получения специальных видов цементных клинкеров.

Определялись химические составы шлака - отхода металлургического производства в виде огненно-жидкого шлака, известняка, отсевов обогащения руд - железосодержащих добавок, гальванического шлама, сырьевых смесей и клинкеров, полученных при этом способе, приведенные в таблице 1, 2.

Огненно-жидкие шлаки (10) - отходы металлургических производств через соответствующие боковые каналы 9, расположенные тангенциально относительно корпуса камеры, добавляются к алюминатным и(или) силикатным техногенным отходам химических производств, например отработанным катализаторам (7), содержащим цветные металлы (никель, кобальт, вольфрам, молибден и т.д.) в смеси с известковыми флюсами и(или) высокоалюминатными материалами фракции до 5 мм.

Сырьевые смеси, например отработанные катализаторы (7), вводят в камеру боковыми питателями 5 по каналу 6, расположенными в стенах камеры, под углом 90° на одной горизонтальной плоскости относительно друг друга. В верхнюю часть камеры над поверхностью расплава для создания гарнисажной футеровки из самого материала на границе зеркала расплава подается сырьевая шихта, в результате образуется гарнисаж 8 в виде конусных откосов, тем самым на зеркале расплава исключается термохимическая коррозия футеровки. Расплав содержит в расчетном количестве химические соединения, приведенные в вышеуказанной таблице, обеспечивающие при их плавлении получение искусственных вяжущих, например цементного клинкера (поз.19). При наборе некоторой массы расплава и разогреве электродов 3, 4 внутри камеры выше 1000°С подают сырьевой материал через полости электродов 3, 4 в камеру реактора 1. При этом в электроде 3 сырьевой материал пересылается с полки на полку (на чертеже полки условно не показаны), которые нагреты до температуры, близкой к температуре электрода. При относительно медленном (по сравнению с вертикальным падением) перемещении материала и непосредственном контакте с нагретой поверхностью полок происходит передача тепла от полок к материалу и последний (предварительно подогретый), доведенный до температуры диссоциации карбонатов, попадает на поверхность расплава и расплавляется с большей скоростью, т.к. в этом случае идут уже экзотермические реакции, проходящие с выделением тепла. Тот же процесс подогрева сырьевого материала происходит в электроде 4, но в этом случае подогрев происходит при движении материала по винтовой поверхности.

Дополнительное тепло поступает с огненно-жидким шлаком, имеющим температуру до 1800°С. Схематически на чертеже показана подача отходов металлургического производства в виде огненно-жидкого шлака, имеющего температуру до 1800°С, резко снижающего энергетические затраты и повышающего производительность камеры плавления и качество цементных клинкеров, а также показано охлаждение расплава специального цементного клинкера с температурой до 1800°С путем подачи через течку 13 на вращающиеся вокруг своей оси в противоположные стороны друг от друга водоохлаждаемые изнутри длинные цилиндры (гранулятор) 18. Позицией 14 обозначен канал, по которому выводится расплав металла. Осаждение металла идет за счет того, что последний имеет в 2 раза большую плотность, чем расплавленный клинкер, химический состав которого приведен в таблице 1.

Процесс плавки осуществляется следующим образом (см. чертеж): концы электродов внутри камеры сводят и опускают в нижнюю часть камеры 1. При поднятии уровня сырьевого материала до концов электродов 3, 4 на последние подается напряжение, например, постоянного тока от преобразователя.

Концы электродов сводят до контакта. При разведении электродов образуется электрический дуговой разряд (дуга), представляющий собой низкотемпературную плазму. При этом в электроды подают плазмообразующий газ, например азот или диоксид углерода. Материал в камере нагревается до температуры плавления. При обжиге клинкера температура расплава достигает 2000-2100°С. При подъеме расплава выше катушки 11 подается напряжение на последнюю, что приводит расплав во вращательное движение. За счет копирной дорожки 12 происходит колебательное движение катушки 11. При колебательных движениях катушки 11 меняет свое положение и магнитное поле, образующееся внутри токопроводного расплава, который активно перемешивается в вертикальной плоскости и дополнительно нагревается. В результате перемешивания расплава происходит его гомогенизация, что активно способствует повышению качества и производительности основной продукции, например цементного клинкера (19).

При расплавлении шихты для получения цементного клинкера, в которой содержится небольшое количество редких металлов, некоторые из них, температура плавления которых несколько выше клинкерного расплава (кроме вольфрама и молибдена), оседают в подовой части 17 и периодически (по мере накопления) выпускаются в изложницы. Осаждение металлов (16) идет за счет того, что их плотность минимум в два раза выше клинкерного расплава (15).

Пары легко возгоняемых цветных металлов (например, лития) вместе с диоксидом углерода, выделяемым в результате декарбонизации карбонатных компонентов клинкерной шихты, эвакуируются под действием разрежения в специальные разделительные и кондиционные устройства, где пары металлов конденсируются, переходя в металл или его соединения, а диоксид углерода может использоваться для получения сухого льда или специальным нагнетателем снова вводится в реактор через электроды. Легкие металлы или их соединения передаются на дальнейшую переработку для получения кондиционного продукта. Клинкерный расплав 15 периодически или непрерывно (при согласованном вводе в камеру 1 сырья) выливают на вращающиеся вокруг своей оси в противоположные стороны друг от друга, водоохлаждающиеся изнутри длинные цилиндры (гранулятор) 18, позволяющие управлять во времени процессом охлаждения расплава специального цементного клинкера 15 до заданной температуры - 60°С.

Провели физико-механические испытания цементного клинкера, свойства приведены в таблице 3. Охлажденный клинкер передают на измельчители для получения цемента.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет использовать огненно-жидкий шлак и экономить удельные энергозатраты, утилизировать промышленные отходы (огненно-жидкий шлак, отработанные катализаторы, гальванический шлам), извлекать металлы, значительно повысить качество получаемого продукта, например клинкера, значительно интенсифицировать процесс образования необходимых минералов.

При необходимости в сырьевую смесь можно добавить корректирующие железосодержащие добавки - гальванический шлам, пиритные огарки и т.д.

Указанным способом можно получать в зависимости от состава техногенных отходов и состава дополнительно вводимых химических соединений различные цементные клинкера, такие как высокоглиноземистый, глиноземистый, портландский и монофазные составы, а также сопутствующие цветные металлы.

Формула изобретения

1. Способ получения специального цементного клинкера и сопутствующих цветных металлов в реакторе с плазменно-дуговым и индукционным нагревом путем подачи в камеру реактора через его каналы сырьевой смеси, содержащей техногенные отходы химических производств, содержащих цветные металлы, ее нагревом до температуры 2100°С, и расплавления с получением указанного цементного клинкера, с последующим его охлаждением, с селективным извлечением при расплавлении цветных металлов, оседающих в подовой части реактора, и конденсирующихся из паров легковозгоняемых металлов, отличающийся тем, что указанные техногенные отходы – алюминатные и/или силикатные, а указанная смесь дополнительно содержит химические соединения фракции до 10 мм, обеспечивающие при их плавлении получение указанного клинкера, нагрев ведут в течение 1-10 мин, а в камеру дополнительно подают отходы металлургического производства в виде огненно-жидкого шлака с температурой до 1800°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве техногенных отходов используют отработанные катализаторы.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве указанных химических соединений используют известковые флюсы и/или высокоалюминатные материалы.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что охлаждение указанного клинкера осуществляют путем подачи его расплава с температурой 1800°С через течку камеры на вращающиеся вокруг своей оси в противоположные стороны друг от друга водоохлаждающиеся изнутри цилиндры-грануляторы, позволяющий управлять во времени процессом охлаждения расплава указанного цементного клинкера до заданной температуры – 60°С, при этом скорость вращения и количество охлаждающего агента позволяет установить скорость охлаждения равной 55°С/мин до степени кристаллизации и проводить охлаждение клинкера в течение 1-30 мин, поэтапно превращая его жидкую фазу в твердую, формируя при этом необходимые минералы.

РИСУНКИ

Рисунок 1