СПОСОБ ПИРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ СВИНЕЦСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ И ПЕЧЬ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК C22B13/02 F27B17/00 

Изобретение относится к пирометаллургии - способам переработки материалов (отходов, промпродуктов), содержащих различные металлы (свинец, цинк, олово и др.), углерод, а также может быть использовано для переработки отходов других отраслей, например жилищно-коммунального хозяйства (твердые бытовые отходы), химического и нефтехимического производства (горючие отходы), военно-промышленного комплекса и др.

Известны пирометаллургические способы и печи - аналоги: фьюмингпроцесс и фьюминг-печи, процесс и печи плавки в жидкой ванне - ПЖВ (Лакерник М.М. и др. Переработка шлаков цветной металлургии. - М.: Металлургия, 1977, с.159 и Ванюков А. В. и др. Плавка в жидкой ванне. - М.: Металлургия, 1988, с.208). Эти способы включают загрузку перерабатываемых материалов, содержащих свинец, цинк и др. металлы, в кессонированные печи шахтного типа, их плавку в барботируемой ванне расплава, выпуск расплава и отвод газопылевозгонов из печи. Процесс ведется при температуре расплава 1100-1200^oС. В самой верхней части шахты фьюминг-печей проводят дожигание газов за счет принудительной подачи окислительного газа (см. первый аналог - с.42,49). Шахты фьюминг-печей, как правило, делаются прямоугольной формы с постоянным сечением на высоте; имеются конструктивные варианты с круглым сечением и с расширением шахты в верхней части печи (статья Гречко А.В. "Фьюминг-процесс в мировой практике и его дальнейшее развитие" в журнале "Цветные металлы" N 6, 1994, с.24, рис. 2).

Недостатками этих способов и печей являются большие энергозатраты - при фьюминговании расходы топлива (пылеуголь, природный газ), при ПЖВ расходы технологического кислорода; невысокое качество целевого товарного продукта (пылевозгонов); низкие коэффициенты теплоиспользования от дожигания отходящих газов; неработоспособность дутьевых устройств без обогащения дутья кислородом на печах ПЖВ и др.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому изобретению являются аналоги:
- способ пирометаллургической переработки шлаков, содержащих свинец, цинк, олово, включающий загрузку материалов в фьюминг-печь, их плавку и возгонку в барботируемой ванне расплава в 2 этапа: с дополнительной загрузкой восстановителя (угля) для отгонки цинка и сульфидизатора (пирата) для отгонки олова, выпуск расплава и отвод газопылевозгонов; при этом коэффициент расхода воздуха на отопительно-дутьевых устройствах держат в пределах α = 0,8 - 0,9, а температуру отходящих из печи газов 1150-1250^oС (Евдокименко А. И. и др. Промышленное освоение фьюмингования шлаков, содержащих олово, цинк и свинец, природным газом и Материальный и тепловой балансы промышленного фьюмингования природным газом в Сборнике научных трудов института "Гинцветмет" N 39, М.: Металлургия, 1975, с.55-73);
- печь для переработки шлаков, содержащая прямоугольную кессонированную шахту с подиной, фурмы для подачи в расплав кислородосодержащих газов и камеры сжигания (топки) для подачи в расплав восстановительных высокотемпературных продуктов сгорания природного газа, расположенные в нижней части шахты, при этом фурмы установлены в нижней части шахты на расстоянии от подины до оси фурм, составляющем 1,5-5,0 расстояния от подины до топок (авт. свид. СССР N 1191481, кл. С 22 В 7/04, F 27 В 3/00, 1983).

Недостатками способа являются высокие энергозатраты (природный газ, уголь, химический недожог, повышенные температуры процесса), невысокое качество товарной продукции (пылевозгонов), низкая экологичность процесса (загрязненные отходящие газы).

Недостатками печи являются высокие энергозатраты из-за необходимости использования технологического кислорода для обеспечения работоспособности фурм при указанных высотах их расположения.

Задача изобретения - снижение энергозатрат, повышение качества товарной продукции, повышение экологической эффективности процесса.

Это достигается тем, что в известном способе пирометаллургической переработки свинецсодержащих материалов, включающем загрузку материалов в печь, их плавку в барботируемой ванне расплава, возгонку, выпуск расплава и отвод газов с пылевозгонами, по предлагаемому решению процесс плавки и возгонки ведут в один этап за счет суммарного тепла, выделяемого высокотемпературными продуктами сжигания топлива, вдуваемыми в ванну расплава, и углеродсодержащими отходами, сжигаемыми над поверхностью расплава, при этом соотношение указанных количеств тепла находится в пределах (1:0,3) - (1:0,8), сжигание топлива проводят при коэффициенте расхода воздуха, равном 1,0-1,2, а температуру отходящих газов выдерживают 900-960^oС. В качестве углеродсодержащих отходов используют эбонитовые корпуса от разделки отработанных свинцовых аккумуляторов, содержащих свинец. Дожигание остаточных горючих в отходящих газах проводят в верхней части шахты печи за счет естественных подсосов воздуха и/или путем его принудительной комбинированной подачи.

Указанный технический результат достигается также тем, что в известной печи для пирометаллургической переработки свинецсодержащих материалов, включающей кессонированную шахту с подиной, топки для подачи в расплав высокотемпературных продуктов сжигания топлива, расположенные в нижней части шахты и фурмы для подачи в печь кислородсодержащих газов, расположенные в шахте выше топок, по предлагаемому решению фурмы установлены на расстоянии от подины до их оси, составляющем 8,0-16,0 расстояния от подины до оси топок. В верхней части шахты круглого или прямоугольного, равномерного или расширяющегося сечения установлены боковые и верхние вертикальные фурмы-трубки для комбинированной подачи воздушного дутья.

При изменении указанного соотношения количеств тепла в сторону более (1: 0,3) гидроаэродинамическое состояние ванны из-за повышенных газовых (дутьевых) нагрузок превращается во взвешенное состояние - расплав находится в виде капелек в восходящем потоке газов, что приводит к неприемлемому в металлургической практике брызго- и пылевыносу. При снижении указанного соотношения до менее (1:0,8) барботаж ванны становится слабым, что ведет к снижению интенсивности тепло- массообмена в расплаве и снижению удельной производительности печи по проплаву загружаемых материалов. Сжигание топлива при коэффициентах α менее 1,0 приводит к ухудшению качества пылевозгонов из-за повышения возгонки других металлов (цинк, олово), а при более 1,2 снижается температура расплава с соответствующим нежелательным повышением вязкости шлака. Температура отходящих газов менее 900^oС ведет к повышенному количеству отходящих газов и повышению вязкости расплава, а более 960^oС - к появлению вторичных смолистых веществ по газоходному тракту, а также непосредственно к увеличению энергозатрат. Диапазон температур 900-960^oС способствует наиболее полному извлечению целевого металла (свинца) в пылевозгоны как товарный продукт (наиболее высокая селективность отгонки свинца, а также повышение возгонки сурьмы, которая в практике производства свинцовых аккумуляторов специально добавляется в свинец). Использование в качестве углеродсодержащих отходов эбонитовых корпусов сокращает расход основного топлива на процесс. Комбинированная подача (бокового и верхнего) воздуха в верхней части шахты печи эффективно обеспечивает дожигание остаточных горючих в отходящих газах, полностью исключая химический недожог.

При изменении указанного соотношения высот расположения фурм и топок в стороны менее 8 ухудшается работа фурм на воздухе без обогащения кислородом, требуется их регулярная прочистка, а в худшем случае они становятся неработоспособными (быстрое зарастание их выходных отверстий настылью, закупоривание и прекращение поступления дутьевого воздуха). При увеличении указанного соотношения до более 16 резко сокращается передача тепла от сжигания отходов к ванне расплава, что значительно ухудшает показатели по энергозатратам на процесс; в худшем случае - при дожигании газов в самой верхней части шахты, как во фьюминг-печах - аналогах, эта передача тепла становится практически несущественной (менее 4-5% - см. далее статью в сноске к табл. 1).

Результаты опытных и расчетно-экспериментальных данных по способу, полученных на барботажных установках (переоборудованных печах фьюминговых и ПЖВ) на Рязанском опытно-экспериментальном металлургическом заводе (РОЭМЗ) Гинцветмета и на Рязанском заводе по производству и обработке цветных металлов (Рязцветмет) приведены в табл. 1-3, а по печи для осуществления предлагаемого способа - в табл.4.

Конструкции предлагаемой печи и ее вариантов (с различными сечениями шахты) приведены на фиг. 1-3. Как следует из этих рисунков, печь включает кессонированную шахту 1, загрузочные узлы 2 и летку 3 для выпуска расплава, подину 4, топки 5 и фурмы 6, газоход 7, расширяющуюся часть 8 шахты, боковые фурмы - трубки 9 и верхние вертикальные фурмы - трубки 10 для дожигания газов.

Способ осуществляется следующим образом. В печь, состоящую из кессонированных стенок 1 и оборудованную топками 5 внизу и фурмами 6 выше топок, загружают свинецсодержащий материал (шихта) через загрузочные узлы 2, через эти же узлы грузят углеродсодержащие отходы. Расплав барботируется продуктами сгорания топлива при коэффициенте расхода воздуха α = 1,0 - 1,2 (газообразное, жидкое), истекающими из топок 5; над ванной (в газожидкостном слое и брызговой области) проводится сжигание углеродсодержащих отходов путем подачи через фурмы 6 воздуха. В верхней части шахты печи, в том числе в ее расширяющейся части 8, идет дожигание остаточных горючих путем естественного подсоса окружающего воздуха и/или за счет подачи воздуха через боковые 9 и верхние вертикальные 10 подводящие фурмы-трубки. Температура отходящих газов поддерживается в пределах 900-960^oС. Суммарные отходящие газы отводятся по газоходу 7. В ванне расплава проходят химические реакции, в результате которых идет возгонка летучих металлов (в основном целевой металл - свинец, частично цинк, олово и др.) и их отвод с отходящими газами через газоход 7 и далее в систему пылегазоулавливания. В печи накапливается расплав, содержащий шлакообразующие составляющие, металлы (остаточный свинец, цинк, олово и др. ), и по мере набора ванны (порядка 1 м высотой) он выпускается через летку 3. Расплав направляется по желобу в отстойную емкость для разделения на шлак и штейн; последние продукты отправляются потребителю.

Как видно из опытных проверок вариантов способа переработки свинецсодержащих материалов (см.табл.1), наилучшие и приемлемые по другим факторам результаты получены при соотношении количеств тепла, подаваемого через топки в расплав (Qниз) и передаваемого к расплаву от дожигания углеродсодержащих отходов над ванной (Qверх), равном (опыты 2,3) Q низ/Q верх = (1:0,3)-(1: 0,8). Выход соотношения за эти пределы (опыты 1,4) ухудшает технологические показатели (снижение удельной производительности) или делает печь неработоспособной (как отмечалось выше, затягивание фурм настылями, неприемлемое взвешенное состояние ванны).

Как видно из табл.2, в предлагаемом способе по сравнению с прототипом (также проведена опытная проверка на рассматриваемых свинецсодержащих материалах) получаются более качественные пылевозгоны (основной товарный продукт), а именно по содержанию свинца (78-82%); это обусловлено работой в один этап (в прототипе 2 этапа) при указанных коэффициентах α] = 1,0 - 1,2. Кроме того, получаются более экологически чистые отходящие газы, а именно по содержанию сернистого ангидрида (0,08-0,15%) и без химического недожога, что обусловлено пониженными температурами отходящих газов (опыты 2,3,4,7,8 в табл. 3) и исключением подачи сульфидизатора, как это делается в один из этапов в прототипе.

Выход за пределы указанных значений α и температур (опыты 1,5,6,9) нарушают нормальную работу печи (ванны расплава), газоходных трактов и ухудшают экологические показатели (появление вторичных смолистых ингредиентов по газоходному тракту).

Как видно из опытных проверок работы печи для осуществления способа (см. табл. 4), наилучшие результаты получены при соотношении высот расположения фурм (Н) и топок (h), равном (опыты 2,3) Н/h = 8-16. При отклонении этих значений в ту или другую сторону (опыты 1,4) ухудшаются показатели работы печи (сокращается передача тепла от сжигания отходов к ванне расплава) или даже становится невозможной работа фурм (как отмечалось выше, их затягивание настылями).

Пример. Проверка предлагаемого способа проводилась на барботажной печи площадью пода 2,2 м², оборудованной внизу топками предварительного сжигания природного газа и выше них (в брызговой области шахты) воздушными фурмами. Топки расположены на расстоянии от подины 180 мм, фурмы от подины - 2000 мм. Максимальная высота ванны расплава (ее набор при плавке материалов) ~1000 мм. В печь грузили с общей производительностью 2,1 т/ч свинецсодержащую шихту состава, %: Pb 10,9; Sb 0,4; Sn 0,35; Cu 0,55; As 0,22; Fe 12,38; Zn 0,93; S 2,46; SiO₂ 14,72; CaO 5,86; MgO 0,38; Na₂O 1,26; C 36,3; эбонитовая фракция при этом содержала, %: Pb 0,5; Fe 2,2; S 3,84; SiO₂ 15,9; CaO 2,8; O₂ 12,53; C 60; H₂O 1,97, прочие 0,26; добавка стальной стружки (98,37% Fe) составляла 7,2% к загрузке, известняка (51% СаО) - 3,88% к загрузке. Расчетное по фактическим данным соотношение количеств тепла от продуктов сгорания природного газа из топок и от сжигания фурмами эбонитовой фракции составляло 1:0,38. Температура отходящих газов составляла 920-940^oС. Остаточные горючие в отходящих газах дожигались воздухом в верхней части шахты через боковые и верхние фурмы-трубки; отходящие газы, не содержащие горючих составляющих (окись углерода, водород), содержали не более 0,08% сернистого ангидрида. Состав уловленных в рукавных фильтрах пылевозгонов был следующим, %: Pb 80,0; Sb 3,1; Sn 0,26; Cu 0,08; As 0,17, Fe 3,0; Bi 0,01; Zn 0,71; S 1,45; SiO₂ 2,27; CaO 0,91; MgO 0,05; Na₂O 0,19; O₂ 9,3.

В целом предлагаемые способ и печь позволяют:
- снизить энергозатраты за счет использования углеродсодержащих отходов и рациональной организации их сжигания (по передаче тепла к расплаву), исключения из процесса технологического кислорода (работа на воздушном дутье), ведения процесса на пониженных температурах отходящих газов;
- повысить качество товарной продукции - пылевозгонов (по содержанию целевого металла - свинца) за счет ведения процесса в один этап при определенных коэффициентах α9819на топках (повышается степень селективности отгонки свинца), рациональной организации тепловых и гидроаэродинамических условий в ванне и в газожидкостной и брызговой областях шахты печи (температуры отходящего газа, соотношение количеств тепла, подаваемых в расплав от топок и от сжигания фурмами);
- повысить экологическую эффективность процесса (по содержанию сернистого ангидрида и органических веществ в отходящих газах) за счет более эффективного сжигания углеродсодержащих отходов, дожигания остаточных горючих в отходящих газах и их пониженных температурах.

Кроме того, предлагаемое изобретение сокращает металлоемкость конструкции агрегата (по сравнению с аналогом), облегчает обслуживание агрегата в части эксплуатации отопительно-дутьевых устройств (не требуется прочистка фурм при работе на воздухе - без обогащения дутья кислородом), повышает удельную производительность по проплаву загружаемых материалов, позволяет перерабатывать другие виды материалов различных отраслей.

Способ и устройство могут быть использованы при переработке материалов (отходов, промпродуктов), содержащих различные металлы (свинец, цинк, олово и др.) и углерод, а также для переработки отходов других отраслей. Для этого свинецсодержащие материалы загружают в печь, включающую кессонированную шахту с подиной, топки, расположенные в нижней части шахты, и фурмы, расположенные выше топок. Фурмы установлены на расстоянии от подины до их оси, составляющем 8,0-16,0 расстояния от подины до оси топок. Через те же загрузочные узлы грузят в печь и углеродсодержащие отходы. Расплав барботируется продуктами сгорания топлива при коэффициенте расхода воздуха α=1,0-1,2, истекающими из топок. Над ванной расплава проводится сжигание углеродсодержащих отходов путем подачи воздуха через фурмы. При этом отношение количества тепла, выделяемого высокотемпературными продуктами сжигания топлива, к количеству тепла, выделяемого сжигаемыми углеродсодержащими отходами, находится в пределах (1:0,3) - (1:0,8). В верхней части шахты печи, в том числе в ее расширяющейся части, идет дожигание остаточных горючих путем естественного подсоса воздуха и/или за счет его подачи через боковые и верхние вертикальные фурмы-трубки. Отходящие газы, включающие также пылевозгоны ( в основном целевой металл - свинец, частично цинк, олово и др.), отводятся по газоходу и далее в систему пылегазоулавливания. Накапливаемый в печи расплав по мере набора ванны выпускается в отстойную емкость для разделения на шлак и штейн. Повышается качество товарной продукции и экологическая эффективность процесса при снижении энергозатрат. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил., 4 табл.

1. Способ пирометаллургической переработки свинецсодержащих материалов, включающий загрузку материалов в печь, их плавку в барботируемой ванне расплава, возгонку, выпуск расплава и отвод газов с пылевозгонами, отличающийся тем, что процесс плавки и возгонки ведут в один этап за счет суммарного тепла, выделяемого высокотемпературными продуктами сжигания топлива, вдуваемыми в ванну расплава, и углеродсодержащими отходами, сжигаемыми над поверхностью расплава, при этом соотношение указанных количеств тепла находится в пределах (1:0,3)-(1:0,8), сжигание топлива проводят при коэффициенте расхода воздуха, равном 1,0-1,2, а температуру отходящих газов выдерживают 900-960^oС. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащих отходов используют эбонитовые корпуса от разделки отработанных свинцовых аккумуляторов, содержащих свинец. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что дожигание остаточных горючих в отходящих газах проводят в верхней части шахты печи за счет естественных подсосов воздуха и/или путем его принудительной комбинированной подачи. 4. Печь для пирометаллургической переработки свинецсодержащих материалов, включающая кессонированную шахту с подиной, топки для подачи в расплав высокотемпературных продуктов сжигания топлива, расположенные в нижней части шахты, и фурмы для подачи в печь кислородсодержащих газов, расположенные в шахте выше топок, отличающаяся тем, что фурмы установлены на расстоянии от подины до их оси, составляющем 8,0 - 16,0 расстояния от подины до оси топок. 5. Печь по п.4, отличающаяся тем, что в верхней части шахты круглого или прямоугольного, равномерного или расширяющегося сечения установлены боковые и верхние вертикальные фурмы-трубки для комбинированной подачи воздушного дутья.