устройство для извлечения элементов из оксидных руд

Формула изобретения

Устройство для извлечения элементов из оксидных руд в виде порошка, содержащее плазмотрон, подающий канал, реакционный канал, фильтр и емкость для сбора порошка, отличающееся тем, что оно снабжено емкостью для загрузки сырья в виде смеси нанопорошков угля и оксидной руды в стехиометрическом соотношении, форсункой для регулирования скорости подачи сырья из емкости в реакционный канал, расположенной в подающем канале, каналом для теплоносителя, расположенным с охватом реакционного канала и связанным с технологическим контуром, содержащим теплообменник, тепловую турбину и электрогенератор и выполненным с возможностью утилизации тепловой энергии в виде разности между энергией, выделяющейся при окислении углерода, и энергией, необходимой для разложения оксидов, в электрическую энергию, при этом реакционный канал выполнен с расширением по диаметру от входа в него сырья и розжига сырья плазмотроном до зоны образования газов разложения оксидов и окисления углерода, а после реакционного канала установлен многосекционный фильтр, обеспечивающий направление полученного порошка в емкость для сбора порошка, а газов на утилизацию или в атмосферу.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к средствам извлечения элементов из оксидных руд.

Известны устройства для извлечения из оксидов железа (RU 2244753, опубл. 20.12.2003), алюминия (RU 2163268, опубл. 20.02.2001) и кремния (RU 2165989, опубл. 27.04.2001). В этих устройствах шихта готовится в виде измельченных рудных порошков, а восстановителем являются углеродсодержащие материалы, в том числе графитовые электроды. Недостатком этих устройств является неполное использование кислородной составляющей оксидов, необходимость ввода и подогрева окислительного газа, в основном - воздуха. Для выравнивания энергораспределения по объему восстановительного реактора, применяются перемещение шихты по высоте (RU 2317342, опубл. 27.07.2007), двухзонные реакторы с конусами, расходящимися кверху (RU 2247154, опубл. 20.12.2003), лазеры с периодическим смещением лучей в сторону зоны повышенной температуры (RU 2406766, опубл. 20.12.2010), в реакционную зону вводят расплав галогенидов, а для предотвращения науглероживания металла, стенки реактора выполняются из магнезитовых огнеупоров (RU 2133291, опубл. 20.07.1999). Недостатками вышеуказанных устройств являются высокая энергоемкость и необходимость применения дорогостоящих реагентов и материалов.

Наиболее близким аналогом является устройство для плазмохимического восстановления металлов из порошковой шихты (US 6821500 B2, опубл. 23.11.2004). Это устройство включает подающую емкость с порошком руды, плазмогенератор, реакционный канал, фильтр и емкость для сбора готового порошка. Недостатком этого устройства является его высокая энергоемкость и неполное использование энергии окисления углерода кислородом оксидов.

Задачей изобретения является снижение энергоемкости процесса извлечения элементов из любых оксидных руд.

Техническим результатом является более полное использование энергии окисления углерода кислородом оксидов.

Устройство для извлечения элементов из оксидных руд в виде порошка содержит плазмотрон, подающий канал, реакционный канал, фильтр и емкость для сбора порошка. Также устройство снабжено емкостью для загрузки сырья в виде смеси нанопорошков угля и оксидной руды в стехиометрическом соотношении, форсункой для регулирования скорости подачи сырья из емкости в реакционный канал, расположенной в подающем канале, каналом для теплоносителя, расположенным с охватом реакционного канала и связанным с технологическим контуром, содержащим теплообменник, тепловую турбину и электрогенератор и выполненным с возможностью утилизации тепловой энергии в виде разности между энергией, выделяющейся при окислении углерода, и энергией, необходимой для разложения оксидов, в электрическую энергию. Реакционный канал выполнен с расширением по диаметру от входа в него сырья и розжига сырья плазмотроном до зоны образования газов разложения оксидов и окисления углерода. После реакционного канала установлен многосекционный фильтр, обеспечивающий направление полученного порошка в емкость для сбора порошка, а газов на утилизацию или в атмосферу.

Технический результат достигается тем, что используется шихта из смеси нанопорошков оксидной руды и угля в стехиометрическом соотношении для данного вида реакции восстановления. В начале процесса, для разложения оксида на элемент и кислород, используется плазмотрон, плотность энергии «языка» которого обеспечивает полное разложение оксидов исходя из скорости подачи шихты, разность тепловыделения при окислении углерода и при разложении оксида утилизируется через теплоноситель, тепловую турбину и электрогенератор и используется в дальнейшем как в оборудовании для получения нанопорошков угля и руды, так и для обогрева производственных помещений. Плазмотрон используется лишь для «зажигания» процесса, затем необходимая энергия извлекается из окислительной реакции. Кроме того, остается избыточное тепло и электроэнергия, которые являются товарными продуктами, дополнительными к готовым порошкам элементов. В таблице 1 указаны химические реакции и тепловой баланс для основных оксидов, составляющих оксидные руды.

Таблица 1

Для случая, когда используется «чистый» оксид и «чистый» углерод (деминерализованный уголь), в таблице 2 представлены на 1 т шихты содержание углерода, выход углекислого газа и выход товарных продуктов: нанопорошков элементов, тепловой и электрической энергий.

Taблица 2
Оксид	С, кг	кВт·ч	Гкал	Элемент, кг	CO2, кг
Al2O3	151	548	0,148	454	546
CaO	137	781	0,209	500	500
Cr2O3	81	374	0,105	701	299
СuО	82	653	0,176	699	301
FeO	96	554	0,151	649	351
Fe2O3	73	415	0,116	731	269
K2O	63	510	0,140	769	231
MgO	190	1129	0,297	304	696
MnO	100	587	0,159	635	365
Na2О	119	992	0,262	563	437
NiO	90	605	0,164	671	329
P2O5	151	1075	0,283	446	554
PbO	12	42	0,021	956	44
SiO2	197	478	0,132	278	722
TiO 2	146	348	0,099	466	534
WO2	28	32	0,018	899	101
ZnO	81	638	0,172	703	297
ZrO 2	136	176	0,055	499	501
H2O	268	1394	0,365	16	984

Подготовить чистые оксиды и деминерализованный уголь можно с помощью устройства сухого обогащения минерального сырья (RU 2472593, опубл. 20.01.2013). Подготовку нанопорошков для шихты можно сделать с использованием коллайдерных измельчителей с неподвижным опорным валом (RU 2397021, опубл. 20.08.2010), использующих синхронизатор воздушно-пылевых потоков (RU 2450861, опубл. 20.05.2012) и диски встречного вращения с байпасными полостями (RU 2457033, опубл. 27.07.2012). Такие измельчители обеспечивают разрушающую способность до 250 кДж/кг, что вполне достаточно для разрыва межмолекулярных связей в любых оксидах и углях и получения исходных порошков для шихты дисперсностью 20÷40 нм.

Практически более важным и экономически выгодным является непосредственное использование для приготовления шихты оксидных руд и товарного угля. В таблице 3 приведены данные по выходу товарных продуктов при использовании угля Кузбасского бассейна с зольностью 13%, апатита ОАО «Апатит», Североонежских бокситов, Криворожской железной руды и красной глины пос. Тетюши, Татарстан.

Таблица 3
Оксид	Апатит	Боксит	Жел. руда	Глина
Содержание оксидов в рудах, %
SiO2	25,8	16,2	10,7	31,8
Al2O3	14,9	59,0	1,1	10,6
Fe2O3	5,1	11,4	86,6	3,5
CaO	25,6	1,2	од	25,3
MgO	0,9	0,3	0,2	1,4
P2O5	13,8	0,1	0,1	0
Na2O	7,2	0,1	0	0,4
K2O	3,5	0,2	0,1	1,9
TiO2	1,8	3,4	0	0,5
MnO	0,2	0,1	0,1	0,1
H2O	1,2	8,0	1,1	24,5
Содержание угля в 1 т пульпы, кг
уголь	151	158	90	187
Выход товарной электрической и тепловой энергий на 1 т пульпы
кВт·ч	698	493	437	796
Гкал	0,187	0,159	0,122	0,213
Выход углекислоты на 1 т пульпы, кг
CO2	554	577	330		683
Выходы элементов на 1 т пульпы, кг
Si	72	30	30	88
Аl	68	268	5,0	48
Fe	37	83	633	26
Са	128	6,0	0,5	127
Mg	2,7	0,9	0,6	4,3
Р	62	0,4	0,4	0
Na	41	0,6	0	2,3
К	27	1,5	0,8	15
Ti	8,4	16	0	2,3
Mn	1,3	0,6	0,6	0,6

Сущность изобретения поясняется чертежом. Из емкости 1 шихта с помощью форсунки 2 по каналу диаметром D₁ поступает в реакционный канал 3. Скорость подачи шихты определяется соотношением:

W - скорость подачи шихты, кг/с;

s - площадь сечения сечения подающего канала, м²;

P - разрежение в подающем канале, создаваемое форсункой 2, Па;

- объемная плотность шихты в подающем канале, кг/м ³;

k - безразмерный аэродинамический коэффициент (k 0,3).

Например, для дюймового канала, при значении объемной плотности шихты 200 кг/м³ и разрежении, создаваемом форсункой 0,2 бар, в реакционный объем будет подаваться 1,86 кг/с (6,7 т/час). Для гарантированного разложения такого количества оксида Fe₂O₃ потребуется разжигающий плазмотрон с мощностью «языка» 4,2 МВт.

Разложение оксида происходит при розжиге в зоне I реакционного канала 3 (граница зоны на чертеже обозначена вертикальной пунктирной линией), затем, после отключения плазмотрона, область разложения оксида перемешается в зону II. От входа шихты до окончания зоны разложения оксида диаметр реакционной зоны увеличивается от значения D₁ до значения D₂ ввиду изменения объема твердого порошка пульпы до газообразного состояния продуктов реакций разложения и окисления. Реакционный канал диаметра D ₂ охватывается каналом внутреннего диаметра D цепи теплоносителя 11. Длина реакционного канала и канала теплоносителя L подбирается исходя из теплового баланса химических реакций, коэффициентов теплопроводности стенок реакционного канала и канала теплоносителя, теплоемкости теплоносителя и скорости подачи пульпы. Соответствующим образом подбираются технические характеристики теплообменника 8, турбины 9 и электрогенератора 10. В расчетных данных, содержащихся в таблицах 2 и 3, приняты характеристики Сургутской ГРЭС-2 по реальному КПД использования свободного тепла реакционного канала при производстве товарных тепловой и электрической энергий (33% для электроэнергии и 10% от электрической энергии по теплу, которое можно реально использовать для внешних потребителей).

Газопылевая смесь из реакционного канала попадает во внутреннее пространство многосекционного фильтра 4. Секции с более крупными ячейками располагаются ближе к центру, а секции с более мелкими секциями - ближе к периферии. Технические характеристики фильтра позволяют пропустить газы, выводимые на утилизацию или в атмосферу через отверстие 5, задержать и охладить порошки элементов, которые попадают в приемную емкость готового порошка металлов 6 и через отверстие 7 направляются либо на сепарацию (при использовании в шихте многокомпонентных оксидных руд), либо на склад готовой продукции (при использовании предварительно обогащенных оксидов).

Использование описанного выше оборудования, как это видно из данных таблицы 3, принесет большой экономический эффект, т.к. доходы от реализации нанопорошков элементов, тепловой и электрической энергий в десятки, а на некоторых рудах в сотни раз выше затрат на подъем и первичное измельчение руд.