СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ПРИ СЖИГАНИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В РАСПЛАВЕ Российский патент 1994 года по МПК C21B13/00 F23B7/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике и металлургии, в частности к сжиганию твердого топлива в барботируемом расплаве.

В теплоэнергетике при сжигании твердого топлива, в особенности низкоуглеродистого, образуется большое количество золы и пылевыноса, которые практически не утилизируются и выбрасываются в золоотвал. В то же время в минеральной части топлива содержится значительное количество железа, тяжелых цветных металлов, а также примеси редких, благородных и платиновых металлов. Кроме того, пылевынос содержит остатки несгоревшего углерода, достигающего 15-20 мас. % . Использование этого сырья для извлечения металлов представляет большое народнохозяйственное значение.

Известны способы извлечения металлов в барботируемом расплаве с использованием твердого топлива. Однако, эти способы относятся к извлечению тяжелых цветных металлов из руд, а твердое топливо используется в основном как восстановитель и для поддержания температуры процесса.

Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является способ извлечения металлов при сжигании твердого топлива в барботируемом расплаве, включающий загрузку топлива и твердых отходов в расплавленную шлаковую ванну, продуваемую кислородсодержащим газом с интенсивностью 150-2200 нм³/ч˙ м². Одновременно в расплав вводят оксиды металла или металлолом в количествах соответственно 0,25-0,5 и 0,5-15 мас. % загружаемой шихты.

Однако, этот способ имеет следующие недостатки: высокая окислительная способность газовой атмосферы и низкое содержание окиси кальция и кремнезема в шлаке приводит к повышенному содержанию оксидов железа в шлаке и магнетита в штейне, что ведет к резкому переходу в шлак всех металлов и потере их со шлаком; использование же в качестве добавок оксидов металла или металлолома приводит к относительно низкому содержанию ценных тяжелых, редких и благородных металлов в штейновой (металлизированной) фазе и их дальнейшее извлечение становится экономически неоправданным; кроме того, ввиду значительной разницы в удельных весах между барботируемым шлаковым расплавом и металлоломом, последний оседает на дно подины агрегата, что вызывает переохлаждение ванны и остановку процесса; низкая основность шлака не позволяет извлекать серу в шлак и большая ее часть в виде диоксида серы уходит с дымовыми газами, ухудшая экологическую эффективность процесса.

Цель изобретения - повышение экономичности процесса за счет увеличения степени извлечения железа, тяжелых, редких, благородных и платиновых металлов, содержащихся в твердом топливе и отходах, и снижения выбросов серосодержащих газов.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе извлечения металлов при сжигании твердого топлива в расплаве, включающем загрузку топлива и твердых отходов в расплавленную шлаковую ванну, продуваемую кислородсодержащим газом с интенсивностью 150-2200 нм³/ч˙ м², согласно изобретению сжигание топлива и извлечение металлов из минеральной части топлива и отходов ведут в восстановительной атмосфере шлакового силикатного расплава над слоем металлизированной (штейновой) фазы при отношении ее высоты к высоте силикатного расплава в спокойном состоянии, равном 1: (2,1-6,5), а в качестве отходов используют пылеунос тепловых электростанций в количестве 10-40 мас. % с добавкой известняка в количестве 5-55% от массового расхода топлива и пылеуносов. При этом основная масса всех металлов, в частности и редких, благородных и платиновых, восстанавливается и переходит в металлизированную фазу и коллектируется в ней. Так как содержание в минеральной части топлива и отходов основных металлов (железо, медь, никель и др. ) относительно невысокое (3,5-4,2), то накопление металлизированной фазы идет медленно, а концентрация редких, благородных и платиновых металлов в ней возрастает. Таким образом, получаемый металлизованный продукт представляет большую народнохозяйственную ценность, а его переработка становится экономически выгодной. Некоторые ценные металлы, как германий (Ge), галлий (Ga) и др. в процессе восстановительной плавки возгоняются в газовую фазу и при дальнейшем их охлаждении концентрируются в пылях, которые представляют промышленный интерес, так как ввиду низкого пылевыноса из агрегатов барботажного типа (<0,3-0,5% ) их повышенная концентрация делает переработку пылей экономически целесообразной. С одновременным извлечением металлов в процессе сжигания твердого топлива и пылеуносов к последним добавляют известняк или меловую крошку в количестве 10-40% от массового расхода топлива и пылеуносов. Это дает возможность регулировать основность образующихся шлаков в широком диапазоне (от 0,95 до 1,3). При этом большая часть серы извлекается и переходит в шлаковый расплав, а концентрация диоксида серы в отходящих газах сокращается, что позволяет существенно снизить затраты на строительство газоочистных сооружений. Образующийся в процессе сжигания твердого топлива и пылеуносов с добавкой известняка силикатный шлак может быть использован для нужд стройиндустрии.

Способ осуществляется следующим образом.

В печи, например, в топке для сжигания твердого топлива в барботируемом расплаве производят наплавление ванны силикатным железосодержащим расплавом и с момента активного барботажа начинают вести процесс сжигания твердого топлива в барботируемом расплаве. При этом к топливу добавляют твердый пылеунос и известняк (или меловую крошку) в количестве 5-55% от массового расхода топлива и пылеуносов. Соотношение высоты слоя металлизированной фазы к высоте силикатного расплава поддерживают в пределах 1: (2,1-6,5).

В процессе сжигания твердого топлива и пылеуносов с добавкой известняка в барботируемом расплаве за счет кислородсодержащего дутья, подаваемого через фурмы топки с интенсивностью 150-2200 нм³/ч ˙ м², происходит расплавление и восстановление металлов минеральной части топлива и пылеуносов и разделение расплава на металлизированную (штейновую) и силикатную шлаковую фазы, состоящую в основном из оксидов SiO₂, Al₂O₃, FeO, CaO, MgO, Na₂O и К₂О. Образующиеся высокотемпературные газы вместе с пылевыносом направляются в теплоутилизационную установку для получения пара энергетических параметров. Так как процесс сжигания твердого топлива и пылеуносов ведется в восстановительной атмосфере, то в газовой фазе присутствуют продукты неполного сгорания СО и Н₂, которые являются хорошими восстановителями.

В процессе восстановления металлов в первую очередь идет восстановление железа ввиду его физико-химических свойств и повышенной концентрации в минеральной части топлива и пылеуносов. Причем процесс протекает в три стадии по цепочке:
Fe₂O₃ -> Fe₃O₄ -> FeO-> Fe.

Далее происходит восстановление тяжелых, редких, благородных и платиновых металлов по общеизвестной схеме:
МеО + СО = Ме + СО₂
C + СО₂ = 2СО
___________________
МеО + С = Ме + СО
Такие металлы, как Ge и Ga, уходят в возгоны, а остальные переходят в металлизированную фазу и частично растворяются в шлаковом расплаве. Наличие силикатов в расплаве и добавка известняка повышают основность шлаков, а наличие восстановительной атмосферы препятствует переокислению шлака и обогащению его магнетитом, что вместе взятое резко снижает переход в шлаковый расплав всех металлов. Кроме того, добавка известняка в количестве 5-55% от массы сжигаемого топлива и пылеуносов позволяет поддерживать основность шлака в диапазоне 0,95-1,3 и в достаточной степени извлекать серу в шлак. При снижении основности шлака извлечение серы сокращается. Так, при 0= 0,85 извлечение серы в шлак составляет 10-12% от ее прихода в процесс, а при 0= 1,25-1,30 извлечение серы в шлак составляет 92,6-95,4% . Поэтому дальнейшее увеличение основности шлака за счет добавки известняка нецелесообразно и приводит к перерасходу топлива. Получаемый в процессе сжигания твердого топлива и отходов шлак непрерывно выводится через шлаковый сифон, а металлизированная фаза (штейн) периодически или непрерывно выводится из процесса через специальные устройства для дальнейшей переработки с извлечением тяжелых, редких, благородных и платиновых металлов по известной в цветной металлургии технологии.

Пределы добавки к твердому топливу пылеуносов в количестве 10-40 мас. % ограничены следующими соображениями.

Подача пылеуносов в количестве более 40 мас. % ввиду относительно малого содержания в них углерода приводит к недостаче тепла и замораживанию ванны. Добавка к топливу пылеуносов в количестве менее 10 мас. % экономически неоправдана из-за больших капитальных и эксплуатационных расходов на систему подачу в топку пылеуносов.

П р и м е р. Проверку предложенного способа осуществляли на опытной установке плавки в расплаве на Рязанском опытно-экспериментальном металлургическом заводе.

Установка имеет площадь сечения в области дутьевых фурм 2 м², общий объем силикатного расплава в печи в спокойном состоянии составляет 2,2 м³ (уровень расплава под дутьевыми фурмами 450 мм, над ними 850 мм). В установку грузили 1200 кг/ч высокозольного и высокосернистого угля, содержание углерода в котором составило 30,5% .

Силикатный расплав барботировался воздухом, обогащенным технологическим кислородом (50 об. % ) с расходом 1140 нм³/ч.

Высота слоя металлизированной фазы составляла 300 нм (0,60 м³). Загрузку брикетированного угля вели сверху на барботируемый кислородсодержащим газом силикатный расплав.

В полученном силикатном расплаве обнаружены только следы углерода, что говорит о его полном сжигании.

При этом извлечение составило, мас. % : железо 89-94,7; сера 97,8; медь 97,2; платина 98,5; палладий 98,2; серебро 97,8; золото 99,2.

Результаты проведенной серии технологических испытаний сжигания угля Подмосковного бассейна в установке приведены в таблице.

Как видно из данных, приведенных в таблице, при отношении высоты слоя металлизированной фазы к высоте жидкого силикатного расплава в спокойном состоянии менее 1: 2,1 происходит полное усвоение ванной расплава кислорода дутья, углеродсодержащее топливо в расплаве полностью не сгорает, резко снижается извлечение железа, серы, тяжелых цветных металлов, серебра, золота и платиновых металлов в жидкую металлизированную фазу. Все это значительно ухудшает экономическую эффективность технологического процесса сжигания твердого топлива.

При отношении высоты слоя металлизированной фазы к высоте жидкого силикатного расплава в спокойном состоянии более 1: 6,5 приводит к снижению извлечения ценных компонентов топлива.

Кроме того, увеличение высоты расплава потребует применения кислородсодержащего газа с высоким давлением, что приведет к удорожанию процесса.

Предлагаемый способ по сравнению с прототипом позволяет повысить комплексность и экономичность процесса за счет извлечения из минеральной части топлива и отходов на мас. % : сера 97,1-98; медь 96,3-97,6; платина 98,3-98,6; палладий 98-98,2; серебро 97,5-97,7; золото 99,1-99,3.

Одновременно извлекаются, мас. % : никель около 97; кобальт 75; цинк 70; свинец 80.

Кроме того, способ позволяет осуществить полное сжигание топлива, получить шлаковые расплавы для нужд стройиндустрии и сократить выбросы серосодержащих газов. (56) Авторское свидетельство СССР N 1315738, кл. F 23 G 5/00, 1987.

Использование: изобретение относится к энергетике и металлургии и позволяет повысить комплексность использования топлива и экономическую эффективность процесса его сжигания за счет извлечения железа, серы, тяжелых цветных, благородных и платиновых металлов. Сущность: способ сжигания твердого топлива включает загрузку топлива и отходов в расплавленную шлаковую ванну, продувку ее кислородсодержащим газом, при этом сжигание твердого топлива ведут в шлаковом расплаве над слоем металлизированной фазы при соотношении высот слоя металлизированной фазы к высоте силикатного шлака в спокойном состоянии 1 : (2,1 - 6,5), а в качестве отходов используют пылеунос тепловых электростанций в количестве 10 - 40 мас. % с добавкой известняка в количестве 5 - 55% от массового расхода топлива и пылеуносов. 1 з. п. ф-лы, 1 табл.

1. СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ПРИ СЖИГАНИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В РАСПЛАВЕ, включающий подачу сверху твердого топлива и отходов производства, подачу кислородсодержащего дутья в расплав с интенсивностью 150 - 2200 нм³/ч · м², сжигание топлива, расплавление и раздельный выпуск шлака и металлов, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности процесса за счет увеличения степени извлечения железа, тяжелых, редких, благородных и платиновых металов, снижения выбросов серосодержащих газов и создания технологии, максимально приближенной к безотходной, процесс осуществляют в восстановительной атмосфере шлакового силикатного расплава над слоем металлизированной фазы при отношении ее высоты к высоте силикатного расплава в спокойном состоянии, равном 1 : (2,1 - 6,5). 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве отходов используют пылеунос тепловых электростанций в количестве 10 - 40 мас. % с добавкой известняка в количестве 5 - 55% от массового расхода топлива и пылеуносов.