СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ШЛАКОВ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ ОТ СЖИГАНИЯ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ Российский патент 1998 года по МПК F23G5/00 

Описание патента на изобретение RU2110733C1

Изобретение относится к способам термической переработки шлаков, образующихся при сжигании твердых бытовых отходов, и может быть использовано в жилищно-коммунальном хозяйстве, стройиндустрии и металлургии.

Задача защиты окружающей среды и снижения топливно-энергетических затрат в производстве промышленной продукции остается по-прежнему актуальной для народного хозяйства России. Это в особой мере относится к различного вида отходам, хранение и переработка которых тесно связаны с экологическими задачами, а их химический состав позволяет при определенных условиях энергетически и экономически весьма выгодно проводить их переработку и утилизацию. К таким отходам относятся твердые бытовые отходы (ТБО).

Решение проблемы ТБО приобрело в настоящее время глобальное значение. Практически повсеместный вывоз ТБО на мусорные свалки не является радикальным решением проблемы, поскольку при этом не только продолжается загрязнение окружающей среды (процессы испарения, разложения, проникновения вредных веществ в почву), а также изымаются из земельного пользования огромные площади.

К решительным мерам следует отнести переработку и комплексное использование минеральной части ТБО с учетом их состава, используя при этом собственные горючие составляющие, извлечение ценных металлов, максимальное использование других продуктов переработки и вторичного тепла.

Наиболее распространенным в мире способом переработки ТБО является их сжигание на колосниковой решетке топочных устройств специальных котлоагрегатов, конструкция которых учитывает специфические свойства ТБО: высокая влажность (до 65%); широкое разнообразие компонентов, включая черные и цветные металлы, строительный мусор, пластмассу, древесину, текстиль, высоковязкие вещества и т.д.

Сжигание ТБО ведется при относительно низких температурах (до 900oC) без дополнительного ввода топлива. При этом сгорает примерно 70-75% составляющих ТБО. Несгоревшие твердые остатки (шлаки) требует специального обезвреживания или захоронения, что является большим недостатком этой технологии. При этом естественно теряются содержащиеся в них ценные металлы и шлакообразующая составляющая.

Химический состав шлаков, образующихся от сжигания ТБО, мас.%: 0,25 - 0,40 Cu; 0,90 - 1,12 Zn; 0,80 - 1,2 Pb; 0,02 - 0,10 Ni; 0,05 - 0,12 Sn; 0,25 - 0,45 Cr; 0,045 - 0,10 Mn; 7,2 - 9,5 Fe; 53,0 - 59,5 SiO2; 12,0 - 15,7 CaO; 4,60 - 9,4 Al2O3; 0,50 - 0,80 TiO2; 1,60 - 2,1 MgO; 0,1 - 1,0 K2O; 0,4 - 4,8 Na2O.

В них также содержатся литий, бериллий, ванадий, кобальт, стронций.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ и установка для переработки шлака и других горючих остатков, получаемых в мусоросжигательной печи, известный из патента США N 5027722, который включает в себя грубую очистку несгоревшего материала и магнитных частиц от шлака. Сухой грубоочищенный шлак снова нагревается до 800oC, а затем расплавляется с образованием жидкого шлака.

Недостатком выбранного в качестве прототипа способа является сложность технологического процесса, который заключается в специальной сортировке горючих отходов после мусоросжигательной печи на несгоревший грубый материал, магнитные частицы и шлак. При осуществлении сортировки отходов на вышеуказанные классы при повышенной температуре требуется весьма герметичное дорогостоящее оборудование, которое предотвращает выброс пыли в атмосферу.

Вторым недостатком названного способа является повторное нагревание шлака до 800oC и его последующее плавление до жидкотекучего состояния, что вызывает повышенный расход энергетических затрат.

Третий недостаток - специальная переработка грубого материала и магнитных частиц, требующая дополнительного оборудования и энергетических затрат.

Изобретение направлено на создание высокоэкономичной технологии переработки шлаков, образующихся от сжигания твердых бытовых отходов, обеспечивающей высокую степень извлечения железа и цветных металлов, снижение расхода электроэнергии, полное использование минеральной части ТБО и получение шлаков, пригодных для нужд стройиндустрии (щебень для отсыпки дорог, плитки для полов химических и пирометаллургических производств, дренажные трубы, черепица для крыш и т.д.).

Осуществление изобретения в промышленных условиях позволяет создать высокоэффективную экологически чистую технологию термической переработки твердых бытовых отходов.

Технический результат, отмеченный выше, достигается тем, что шлаки, образующиеся от сжигания твердых бытовых отходов, загружают в дуговую электропечь при температуре 600-900oC и плавят с подачей восстановителя в количестве 100-125% от стехиометрически необходимого.

Кроме того, плавку ведут на шлак, имеющий химический состав, мас.%: 53,3 - 58,1 SiO2; 8,8 - 10,8 Al2O3; 13,9 - 16,8 CaO; 4,8 - 6,9 MgO; 0,5 - 1,0 TiO2 0,3 - 0,4 Fe; 0,8 - 1,6 K2O; 3,5 - 4,3 Na2O.

Сущность заявляемого изобретения состоит в следующем.

Проведенные исследования позволили установить, что при переработке данных шлаков заявляемым способом основная масса ценных компонентов, содержащихся в шлаке (цветных металлов и железа), восстанавливается, переходит в металлическую фазу и коллектируется в ней.

Восстановление высшего оксида железа Fe2O3 до металлического железа происходит через промежуточные оксиды уже при температуре более 570oC по следующим реакциям:
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2, (1)
Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2, (2)
FeO + CO = Fe + CO2. (3)
Загрузка в электропечь шлаков от сжигания ТБО с температурой 600-900oC и последующее их плавление в среднем за плавку экономит 36-42% электроэнергии. Получение шлаков указанного состава позволяет направить их на дальнейшую переработку с целью получения различных строительных материалов: аглопорита, керамзита, кровельной черепицы, дренажных труб, плитки для полов, химически стойких материалов и т.д.

В исходных шлаках, образующихся от сжигания ТБО, содержание CaO и MgO ниже требуемых последующей технологии их переработки количеств, поэтому в процессе электроплавки они корректируются до заданного количества 12,9 - 16,8% CaO и 4,8-6,9% MgO за счет подачи в шихту извести CaO или известняка CaCO3 и доломита MgCO3•CaCO3. Это позволяет получить из таких шлаков высококачественные строительные материалы, упомянутые выше.

Изучение научно-технической и патентной литературы не привело к обнаружению аналогичной с заявленной совокупности отличительных признаков, что свидетельствует о соответствии заявленного способа критерию "новизна".

Способ осуществляется следующим образом.

В разобранную электропечь при снятом своде (температура стенок печи и пода 1250 - 1300oC) мостовым краном из специального контейнера выгружают горячий шлак ТБО при температуре 600-900oC, потом на этот слой шлака краном загружают известь (известняк) и доломит в количестве, обеспечивающем содержание MgO 4,8-6,9% и CaO 12,9-16,8%. Заданное количество оксидов магния и кальция окончательно корректируется в конце расплавления шлака ТБО. Подача восстановителя в шихту во время плавки производится в количестве 100-125% от стехиометрически необходимого количества для восстановления оксидов железа и цветных металлов.

В процессе восстановления металлов в первую очередь идет восстановление железа ввиду его физико-химических свойств и повышенной концентрации в минеральной части ТБО, причем процесс протекает в три стадии по цепочке: Fe2O3_→ Fe3O4_→ FeO _→ Fe и по реакциям (1)-(3).

Никель обладает сравнительно малым сродством к кислороду, поэтому его восстановление протекает легко и с большой полнотой, несмотря на его низкие концентрации в шлаке ТБО. Наряду с никелем практически полностью восстанавливаются оксиды Cu и Co, чему способствуют высокая температура процесса и наличие избытка восстановителя. Восстановленные до металлического состояния Cu, Co, Ni растворяются в жидком железе.

Жидкое железо способно растворять углерод и по мере насыщения железа углеродом (Fe3C) температура его плавления снижается до 1360-1380oC. Это и используется с целью снижения температуры расплава и расхода электроэнергии в период наплавления жидкой ванны расплава.

После полного набора объема ванны шлакового расплава идет глубокое восстановление оксидов Fe, Cu, Ni, Co, Pb и других цветных металлов. После слива готового шлака из электропечи в специальные изложницы сливается полученный железный сплав, легированный цветными металлами. Полученный в электропечи шлак мостовым краном сливается в отапливаемый копильник шлака, из которого он разливается на специальные литьевые машины, где получают плитку с заданными свойствами. После полного слива шлака и металлического расплава из электропечи технологический цикл переработки шлаков ТБО повторяется вновь.

Загрузка в электропечь шлаков ТБО с температурой 600-900oC позволяет сэкономить за плавку 36-42% электроэнергии по сравнению с плавкой холодных шлаков. Кроме того, переработка горячих шлаков позволяет полностью ликвидировать два передела - охлаждение и сушку шлака, что также приносит значительный экономический эффект.

Осуществление электроплавки шлаков ТБО с расходом восстановителя в количестве 100-125% от стехиометрически необходимого позволяет добиться высокого извлечения металлов, %: 95,0 Fe; 80,0 Cu; 92,2 Zn; 92,5 Pb; 50,0 Ni. Дальнейшее увеличение расхода восстановителя нецелесообразно, так как это удорожает плавку и не повышает извлечение вышеупомянутых металлов.

Плавку шлаков ТБО ведут на шлаки следующего химического состава, мас.% 53,3-58,1 SiO2; 8,8-10,8 Al2O3; 13,9-16,8 CaO; 4,8-6,9 MgO; 0,5-1,0 TiO2 ; 0,3-0,4 Fe; 0,8-1,6 K2O; 3,5-4,2 Na2O. Получение таких шлаков позволяет получить из них высококачественные строительные материалы - дренажные трубы, фасадные изделия, химически стойкие материалы, плитку для металлургических и химических цехов и т.д.

При осуществлении электроплавки особое внимание уделяется содержанию в шлаках перед их сливом диоксидов кремния, кальция и магния.

Осуществление способа проводили в дуговой сталеплавильной печи (ДСП-25) с емкостью садки 25 т и номинальной мощностью 10 кВт, в которой перерабатывали шлак, образующийся от сжигания твердых бытовых отходов (ТБО) состава, мас. %: 0,25 Cu; 0,9Zn; 0,8Pb; 0,02Ni; 0,05Sn; 7,6Fe; 12,0 CaO; 53,0 SiO2; 4,7 Al2O3; 1,9 MgO; 1,0 K2O; 4,8 Na2О; 0,92 ТiO2.

Способ осуществляли следующим образом.

Шлак ТБО в количестве 25 т загружали в ДСП-25 при температуре 800oC. Процесс плавки осуществляли при температуре 1450oC. Подачу восстановителя (угля Кузбасского бассейна) проводили в процессе расплавления шлака на поверхность шлакового расплава.

Восстановитель подавали в количестве, равном 1,25 от стехиометрически необходимого, что составило 764,1 кг. Через 3,5 ч после начала плавки взяли пробу шлака на экспрессное определение химического состава, мас.%: 0,912 Fe; 15,1 CaO; 35,1 SiO2; 4,95 Al2O3; 2,25 MgO; 1,36 K4O; 4,98 Na2O; 0,95 TiO2.

Для получения шлака заданного состава в расплав ввели 1043,0 кг доломита.

Технологический процесс переработки шлака ТБО осуществлялся в течение 5 ч.

В результате переработки были получены:
железный сплав, мас.%: 95,6 Fe; 3,2 C; 0,8 Cu; 0,11 Zn; 0,1 Pl; 0,1 Ni; 0,09 Sn в количестве 1900 кг;
шлак состава, мас.%: 0,4 Fe; 15,8 CaO; 54,8 SiO2; 8,85 Al2O3; 4,9 MgO; 1,4 K2O; 4,8 Na2O и 1,0 TiO2 в количестве 23100 кг.

Снижение в шлаках SiO2 менее 53,3% приводит к повышенному содержанию тугоплавких оксидов алюминия, кальция и магния, что вызывает повышенный расход электроэнергии и увеличение вязкости шлака. Содержание в шлаках SiO2 более 58,1% также приводит к повышению вязкости шлаков. Все эти факторы резко ухудшают условия разлива таких шлаков на литьевые машины через фидерные устройства.

Содержание в шлаках CaO менее 13,9% приводит к увеличению вязкости шлака, а более 16,8% - экономически не выгодно, так как вязкость шлака при этом не снижается, а расход электроэнергии увеличивается при плавке дополнительного количества CaO или CaCO3. При этом необходимо учесть и стоимость CaCo3 или CaO как покупного шихтового материала.

Содержание в шлаках MgO менее 4,8% приведет после разлива шлака в то или иное изделие при его отжиге к возникновению внутренних напряжений, способных вызвать появление трещин. Увеличение содержания MgO более 6,9% нецелесообразно, так как не приводит к улучшению литейных качеств и технологическим условиям отжига изделий, а лишь к увеличению расхода электроэнергии при плавке за счет повышения температуры расплава и к удорожанию процесса переработки шлака ТБО в электропечи.

Проведена серия лабораторных плавок шлака ТБО. Плавки осуществлялись в силитовой печи.

Результаты десяти плавок сведены в таблицу.

Плавка 1 осуществлялась в атмосфере воздуха с целью определения химического состава шлака ТБО. Как видно из таблицы, шлак ТБО представляет значительный интерес для металлургов ввиду высокого содержания Fe, Cu, Zn и Pb, поэтому следует рассматривать эти шлаки как ресурс для черной и цветной подотраслей металлургии.

Плавки 2-10 осуществлялись в восстановительной атмосфере при различном расходе восстановителя (углерода) от стехиометрического количества. Шлак ТБО при температуре 1250oC - жидкий с вязкостью ≈ 11-13 П, а при температуре 1310oC и выдержке 15 мин вязкость шлака снизилась до 9-10 П.

Охлаждение шлака после достижения заданной температуры вели при отключенной печи в токе аргона до температуры 800oC, затем на воздухе при комнатной температуре.

После разделки тигля, взвешивания извлеченного из шлака королька металла, часть пробы шлака разделывали и отдавали на анализ.

Химический анализ плавок 2-7 показал, что извлечение железа и цветных металлов в металлическую фазу повышается с увеличением восстановителя (при содержании углерода 100% от стехиометрии извлечение железа составляет 80%, а при 125% составляет 95%).

Извлечение железа и цветных металлов в донную металлическую фазу падает при содержании углерода 130% от стехиометрии и выше. Это объясняется тем, что в период плавления и нахождения шлака в жидкотекучем состоянии происходит бурное выделение CO2 и CO, пузырьки которых флотируют мелкодисперсные частицы восстановленного металла в верхнюю часть шлака.

В промышленных условиях при переработке шлака ТБО в дуговой электропечи достигаются более высокие показатели по извлечению железа и цветных металлов, нежели это можно достичь в лабораторных плавках.

На электропечи всегда вовремя можно откорректировать состав шлака перед последним восстановлением, перегреть шлак до нужной температуры и произвести его отстой перед сливом. Отстой шлака крайне необходим для того, чтобы мельчайшие корольки металла после бурления расплава могли осесть на подину печи, тем самым увеличивая извлечение железа и цветных металлов.

Как видно из данных, приведенных в таблице (плавка 7) максимальное извлечение железа и цветных металлов из шлака ТБО в металлический расплав достигает при расходе восстановителя 125% от стехиометрически необходимого количества и составляет, %: 95,0 Fe; 80,0 Cu; 92,2 Zn; 92,5 Pl и 50,0 Ni. Дальнейшее увеличение расхода восстановителя приводит к снижению извлечения железа и цветных металлов, увеличению стоимости переработки шлаков ТБО.

Кроме того, способ позволяет осуществить комплексное использование минеральной части шлаков ТБО, получить шлаковые расплавы для нужд стройиндустрии и создать безотходную технологию.

Похожие патенты RU2110733C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА В РАСПЛАВЕ С ПОЛУЧЕНИЕМ ШЛАКА ЗАДАННОГО СОСТАВА 2008
  • Иванов Игорь Владимирович
  • Иванов Владимир Васильевич
RU2359169C1
Способ переработки замасленной окалины 2021
  • Павлов Игорь Вячеславович
  • Павлов Михаил Вячеславович
  • Павлов Вячеслав Фролович
  • Шабанов Василий Филиппович
RU2772777C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОСИЛИКАТА 2012
  • Иванов Владимир Васильевич
  • Павлов Вячеслав Фролович
RU2524585C2
СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ПРИ СЖИГАНИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В РАСПЛАВЕ 1991
  • Иванов В.В.
  • Ледяев В.С.
  • Мечев В.В.
  • Бороденко А.В.
  • Иванников В.М.
  • Молодецкий В.И.
  • Демихов В.Н.
  • Ермаков А.Б.
  • Коваленко А.Л.
RU2009204C1
СПОСОБ МЕТАЛЛИЗАЦИИ ТИТАНОМАГНЕТИТОВЫХ КОНЦЕНТРАТОВ С ПОЛУЧЕНИЕМ ЖЕЛЕЗНЫХ ГРАНУЛ И ТИТАНОВАНАДИЕВОГО ШЛАКА 2008
  • Макаров Юрий Витальевич
  • Садыхов Гусейнгулу Бахлул Оглы
  • Самойлова Галина Григорьевна
  • Мизин Владимир Григорьевич
RU2399680C2
СПОСОБ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ КОНЦЕНТРАТА МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЖЕЛЕЗА, СОДЕРЖАЩЕГО ЦВЕТНЫЕ И ДРАГОЦЕННЫЕ МЕТАЛЛЫ 2007
  • Старых Роман Валерьевич
  • Цемехман Лев Шлемович
  • Козырев Сергей Михайлович
  • Лялинов Дмитрий Васильевич
RU2354710C2
Способ получения чугуна из железорудного шлама 2022
  • Савостьянов Александр Владимирович
  • Мельниченко Илья Ашотович
RU2790713C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФЕРРОСИЛИКОТИТАНОВОЙ ЛИГАТУРЫ 2000
  • Трегубенко В.В.
  • Корзун В.К.
  • Груцкий Л.Г.
  • Пранович А.А.
RU2177049C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕДНО-ФОСФОРНОЙ ЛИГАТУРЫ 2000
  • Чумарев В.М.
  • Селиванов Е.Н.
  • Данилушкин А.Л.
  • Мимонов А.В.
  • Королев О.Е.
  • Пряничников Е.В.
  • Вусатый Г.М.
RU2171310C1
ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЕВО-КРЕМНИЕВЫХ СПЛАВОВ 1991
  • Бережной Иван Архипович[Ua]
  • Лебедев Владимир Николаевич[Ua]
  • Вайсман Борис Оттович[Ua]
  • Казанцев В.П.[Ru]
  • Мальц Владлен Соломонович[Ua]
  • Пушкарь А.Н.[Ru]
  • Тюленев Н.Ф.[Ru]
  • Ященко Владимир Васильевич[Ua]
RU2030476C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 110 733 C1

Реферат патента 1998 года СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ШЛАКОВ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ ОТ СЖИГАНИЯ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ

Изобретение относится к способам термической переработки шлаков, образующихся от сжигания твердых бытовых отходов (ТБО) и может быть использовано в жилищно-коммунальном хозяйстве, стройиндустрии и металлургии. Изобретение направлено на создание высокоэффективной технологии переработки шлаков, образующихся от сжигания ТБО, обеспечивает высокую степень извлечения железа и цветных металлов, снижение расхода электроэнергии и получение шлаков, пригодных для стройиндустрии. Способ переработки шлаков, образующихся от сжигания ТБО, включает загрузку их в дуговую электропечь при температуре 600-900oC и плавку с подачей восстановителя в количестве 100 - 125% от стехиометрически необходимого. Кроме того, плавку ведут с получением шлака, имеющего химический состав, мас.%: 53,3-58,1SiO2; 8,8-10,8 Аl2O3; 13,9-16,8 СаО; 4,8-6,9 MgO; 0,5-1,0 TiO2; 0,3-0,4 Fe; 0,8-1,6 K2O; 3,5-4,3 Na2O. 1 з. п. ф-лы, 1 табл.

Формула изобретения RU 2 110 733 C1

1. Способ переработки шлаков, образующихся от сжигания твердых бытовых отходов, включающий загрузку шлаков в плавильную печь и их плавку, отличающийся тем, что в качестве плавильной печи используют дуговую электропечь, загрузку шлаков в печь осуществляют при 600 - 900oС, а при их плавке подают восстановитель в количестве 100 - 125% от стехиометрически необходимого и флюсующие добавки в виде извести, или известняка, или доломита, и получают железный сплав и шлак. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу флюсующих добавок в виде извести, или известняка, или доломита осуществляют в количестве, необходимом для получения шлака следующего состава, мас.%:
SiO2 - 53,3 - 58,1
Al2O3 - 8,8 - 10,8
CaO - 13,9 - 16,6
MgO - 4,8 - 6,9
TiO2 - 0,5 - 1,0
Fe - 0,3 - 0,4
K2O - 0,8 - 1,6
Na2O - 3,5 - 4,3о

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 1998 года RU2110733C1

US, патент, 5027722, кл
Прибор для равномерного смешения зерна и одновременного отбирания нескольких одинаковых по объему проб 1921
  • Игнатенко Ф.Я.
  • Смирнов Е.П.
SU23A1

RU 2 110 733 C1

Авторы

Иванов В.В.

Пурим В.Р.

Ермаков А.Б.

Демихов В.Н.

Даты

1998-05-10Публикация

1996-03-19Подача