УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ГРАНУЛИРОВАНИЯ ВОДОЙ ШТЕЙНА ИЛИ ШЛАКА Российский патент 2003 года по МПК C04B5/02 C03B37/00 B01J2/00 

Изобретение относится к гранулированию водой. С одной стороны, изобретение относится к устройству для гранулирования водой расплавленного штейна или шлака, в то время как с другой стороны, изобретение относится к способу гранулирования водой штейна или шлака. Еще в одном аспекте данное изобретение относится к устройству и способу гранулирования водой штейна или шлака безопасным для окружающей среды образом и при минимальном количестве взрывов фреатических газов или совсем без них.

В различных пирометаллургических процессах, и в особенности процессах, применяемых в цветной металлургии, происходит образование расплавленных штейна и шлака соответственно в качестве промежуточного и побочного продуктов. Эффективная переработка этих материалов способствует их измельчению и переводу в текучее и сыпучее состояние. Известно много способов такой переработки, включающих гранулирование водой, гранулирование воздухом, размол, распыление центрифугированием (описанное в патенте США 5409521, включенном сюда в качестве наиболее близкого решения) и т.п. Предпочтительным способом измельчения штейна и шлака является гранулирование водой, что связано с его удобством, безопасностью и низкими расходами. Типичный способ гранулирования водой описан в патенте США 5468279, включенном в материалы заявки в качестве уровня техники.

В то время как все упомянутые приемы в той или иной степени эффективны, все они могут быть подвергнуты усовершенствованию, в особенности исходя из соображений охраны окружающей среды и техники безопасности. В том, что касается конкретно гранулирования водой, то постоянной проблемой является усовершенствование улавливания выделяющихся газов и уменьшение количества взрывов фреатических газов.

Согласно изобретению, расплавленный штейн или шлак гранулируют водой путем подачи слоя расплавленного штейна или шлака по желобу в грануляционную емкость. Емкость содержит наклонные стенки и оборудована одной или несколькими перегородками, разделяющими ее на зону активного гранулирования и спокойную зону осаждения. Емкость оборудована также регулируемой ловушкой для перетекающей через края воды и множеством распылительных сопел. Эти сопла расположены таким образом, что вода, которую они выбрасывают, ударяет по всему или практически по всему расплавленному штейну или шлаку, поступающему в грануляционную емкость. Грануляционная емкость может быть покрыта полимерным материалом, чтобы уменьшить вероятность взрыва фреатических газов. Грануляционная емкость может быть также снабжена газоотводом, который может быть соединен с охладительной башней, которая, в свою очередь, может быть соединена с системой принудительной вентиляции.

Грануляционная емкость оборудована также ковшовым элеватором, предназначенным для удаления гранулированного материала. Воду, переливающуюся через край гранулятора, направляют в отстойник/сгуститель для извлечения твердого материала. Грануляционную воду, отходящую из отстойника/сгустителя, охлаждают и возвращают в оборот, контролируя при этом рН этой воды, чтобы повысить эффективность удаления загрязнений из отходящих из гранулятора газов.

На фиг.1 схематически показан один вариант реализации процесса гранулирования штейна, начиная с желобов для штейна, ведущих к двум грануляторам, и до конвейерной ленты для гранулированного штейна;
на фиг.2 схематически изображены для гранулятора с фиг.1;
на фиг.3 схематически показан ковшовый экскаватор с фиг.1 и 2.

Устройство для гранулирования водой, являющееся предметом изобретения, позволяет гранулировать или расплавленный штейн, или расплавленный шлак, или и то, и другое вместе. Типичные химические составы штейна и шлака включают те, которые образуются в ходе процессов выплавки меди, типа описанных в патентах США, 5449395, 4416690, 5217427 и 5007959, которые включены сюда в качестве уровня техники. Типичные штейны и шлаки, образующиеся в ходе процессов выплавки никеля, описаны в патенте США 5215571, который также включен сюда в качестве уровня техники.

На чертежах одинаковыми позициями обозначены одинаковые детали. Различные элементы оборудования, такие как клапаны, фитинги, нагреватели и т.п. , опущены для того, чтобы упростить описание, однако, специалистам в данной области техники ясно, что такое типовое оборудование может быть применено при желании.

Типичный вариант реализации процесса, являющегося предметом изобретения, показан на фиг. 1. Расплавленный штейн (например, медный или никелевый) или шлак, в данном случае штейн, транспортируют по желобам 10а и 10b от одной или нескольких плавильных или иных (не показанных на чертеже) пирометаллургических печей к грануляционным емкостям 11 и 11b. Расплавленный штейн соприкасается с водой, находящейся в этих емкостях, и превращается в гранулированный штейн, который скапливается на дне емкостей. Ковшовые экскаваторы 12а и 12b непрерывно или периодически извлекают гранулированный штейн со дна грануляционных емкостей и передают его на конвейер 13 или аналогичное транспортное средство, которое доставляет гранулированный штейн на участок складирования или отгрузки, или на другой участок для дальнейшей обработки (ни один их этих участков не показан на чертежах).

На фиг.2 изображен один вариант реализации гранулятора, согласно изобретению. Обычно гранулятор (описанный здесь как гранулятор 11b) содержит закрытую и вентилируемую башню 14b, соединенную с вентиляционной трубой 15. Башня 14b соединяется с зонтом 16b для отвода пара, который накрывает зону гранулирования 17b. Зона гранулирования оборудована промежуточным ковшом (например, ковшом 18а, показанным в разрезе зоны гранулирования 17а), установленным относительно одного или нескольких водяных сопел (например, 19а и 19b) так, что расплавленный штейн, выданный из промежуточного ковша (который поступил из желоба 10а или 10b соответственно), немедленно и практически полностью вступает в контакт с водой, поступающей из сопел.

Контакт расплавленного штейна с водой ведет к образованию пара, который улавливается зонтом для отвода пара и отсасывается через башню в вентиляционную трубу. Обычно и предпочтительно промежуточный ковш располагают над соплом, а соплом управляют таким образом, чтобы оно выбрасывало водяную пыль или каскад воды. Выданный из ковша расплавленный штейн проходит таким образом черед водяную пыль или каскад воды.

В результате контакта с водой происходит гранулирование штейна и его накопление на дне грануляционной емкости, т.е. в зоне осаждения 20b. Зона гранулирования 17b отделяется от зоны осаждения 20b перегородкой 21b, выполненной обычно в виде одной или нескольких бетонных или стальных конструкций, выступающих из внутренних стен грануляционной емкости. Зона осаждения 20b оборудована также ловушкой 22b для перетекающей через края воды, которая задерживает и отводит от зоны осаждения грануляционную воду. В конечном счете гранулированный штейн удаляют из зоны осаждения ковшами 23b экскаватора, более подробно изображенными на фиг.3.

Грануляционная емкость оборудована также средствами (такими как аварийный желоб 24b и аварийный контейнер 25b) для удаления с участка гранулирования случайно попавшего расплавленного материала.

Грануляционная емкость выполнена из железобетона или иного подходящего конструкционного материала, например стали, и имеет наклонные стены (как показано на фиг.3), позволяющие направлять гранулированный материал к ковшовому элеватору. Ловушки для перетекающей через края воды расположены вдоль боковой стороны емкости, допуская контролируемый отвод воды, причем эти ловушки предпочтительно являются регулируемыми. Ловушки отделены от надводной части стенки гранулятора и турбулентной воды металлическими перегородками 26а и b, которые опускаются в воду, как показано на фиг.2.

В одном варианте реализации вода поступает в грануляционную яму или емкость сквозь лист (на чертеже не показан), обычно изготовленный из нержавеющей стали и снабженный множеством распылительных сопел. Количество, диаметр (размеры) и расположение сопел могут меняться, и точные размеры, количество и расположение сопел определяются расплавленным материалом, параметрами процесса гранулирования, нужным гранулометрическим составом конечной продукции и иными подобными факторами. Сочетание всех этих факторов определяет в конечном счете количество и силу взрывов фреатических газов.

Дополнительно грануляционная емкость может быть снабжена полимерным покрытием, например каменноугольной смолой, для уменьшения вероятности взрывов расплавленного материала. Не углубляясь в теорию, предполагается, что органические материалы не допускают взрывов при контакте металла с водой, препятствуя пузырчатому кипению на поверхности раздела между расплавленным материалом и грануляционной емкостью.

Расход воды в грануляционной емкости зависит от ее конструкции, характера и количества расплавленного материала, температуры воды и других переменных характеристик, но обычно составляет от приблизительно 30 до приблизительно 10 тонн воды на тонну материала, предпочтительно от приблизительно 25 до 15 тонн воды на тонну материала. В зависимости от различных конструкционных и технологических характеристик системы гранулирования водой типичные системы могут обычно перерабатывать 60 т/час расплавленного материала, например медного штейна, часто более 85 т/час, а конструкция и технологические характеристики некоторых систем позволяют перерабатывать более 200, и даже 300 т/час расплавленного материала без опасных взрывов.

Давление воды обычно составляет от приблизительно 65 до 120 фунт/кв.дюйм (449-827 кПа), предпочтительно от приблизительно 85 до 105 фунт/кв.дюйм (586-723 кПа), что обеспечивает возможность гранулирования без взрывов. Некоторые слабые "хлопки" типичны и даже полезны, показывая оператору, что все идет нормально. Температура воды обычно составляет 90^oF (32^oС) или более предпочтительно, от приблизительно 120 до 140^oF (49-60^oС).

Предпочтительно грануляторы снабжаются проемом 27b ослабления взрывов, состоящим из выполненных из долговечного материала, например нержавеющей стали, швеллеров, расположенных с интервалами для уменьшения вероятности выброса твердого материала с участка гранулирования, прилегающего к желобу для подачи расплавленного материала. В данном случае желательно, чтобы проем ослабления взрывов был покрыт полимерным материалом 29b, например покрытой полимером тканью, закрепленной упругими шнурами, не допускающими выпуска пара при нормальных условиях работы, но позволяющими выпустить сжатые газы в случае взрыва (не допуская таким образом конструкционных повреждений грануляционной емкости и вспомогательного оборудования).

Гранулятор предпочтительно оборудован газоотводом, идущим непосредственно к охладительной башне (скрубберу) 14b и затем к системе принудительной вентиляции (например, вентиляционной трубе 15). Охладительная башня может работать с использованием обводного контура трубопровода для грануляционной воды для осуществления мокрой очистки газов от таких загрязнений, как двуокись серы или пыль. Стоки из охладительной башни могут поступать непосредственно в грануляционную емкость. С другой стороны, возможна вентиляция гранулятора через расположенный на удалении скруббер (на чертеже не показан). С другой стороны, возможна надежная герметизация гранулятора для того, чтобы не допустить утечки газов за исключением газов, поступающих в вентилируемый кожух желоба.

Ковшовый элеватор применяется для удаления материала из грануляционной емкости и снабжен направляющими роликами и подъемной лебедкой, позволяющими частично извлекать материал из грануляционной емкости для технического обслуживания или для выполнения контролируемого извлечения материала из емкости. Эта последняя процедура допускает разгрузку емкости в случае переполнения ее гранулированным материалом.

Вода, перетекающая через край гранулятора, направляется в осветлитель/сгуститель (на чертеже не показан) для извлечения любых твердых материалов, захваченных грануляционной водой. Сгущенный продукт из сгустителя может быть дополнительно направлен в щелевые ковши грануляционного экскаватора, чтобы осуществить фильтрацию и извлечение материала. С другой стороны, сгущенный продукт может быть направлен в фильтрующее устройство.

Значение рН грануляционной воды регулируют путем добавления основного соединения, такого, как NaOH, с тем, чтобы поддерживать значение рН в пределах от почти нейтрального до слегка основного. В одном варианте реализации воду с контролируемым значением рН используют для отделения загрязнений от вентиляционного газа гранулятора.

Грануляционная вода может охлаждаться в обычной охладительной башне, после чего возвращаться в систему гранулирования. Предпочтительным является применение резервной системы снабжения водой, позволяющей гарантировать поступление воды на грануляционные головки даже в случае аварии системы электропитания, вызывающей отключение основных грануляционных насосов.

Хотя настоящее изобретение описано с большим количеством деталей со ссылкой на чертежи и различные варианты реализации, перечисленные выше, описание предназначено исключительно для целей иллюстрации и не должно рассматриваться как ограничивающее рамки изобретения в отношении его описания в прилагаемой формуле изобретения.

Способ гранулирования расплавленного материала содержит следующие стадии: А) подача расплавленного материала в зону гранулирования грануляционной емкости; В) осуществление контакта расплавленного материала с достаточным количеством воды, причем значение рН воды регулируют в пределах от нейтрального до слабоосновного и таким образом, что в зоне гранулирования расплавленный материал превращают в гранулированный материал со взрывами фреатических газов, не вызывающими повреждения грануляционной емкости; С) накапливают гранулированный материал в зоне осаждения грануляционной емкости; D) улавливают газовые выбросы из грануляционной емкости и преобразуют эти выбросы в форму, пригодную для выпуска в окружающую среду; Е) отводят от гранулированного материала воду, оставшуюся после операции (В), преобразуют отобранную воду в форму, пригодную для использования в ходе операции (В) и возвращают отобранную воду на операцию (В); F) удаляют гранулированный материал из зоны осаждения грануляционной емкости с помощью средства для удаления с регулируемым положением и G) отводят просыпавшийся материал из зоны гранулирования. Охарактеризованы устройства для реализации данного способа. Технический результат - повышение эффективности процесса улавливания выделяющихся газов и уменьшение количества взрывов фреатических газов. 3 с. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для гранулирования расплавленного материала, содержащее А) средство для подачи расплавленного материала от источника расплавленного материала до грануляционной емкости с наклонными стенками, часть поверхности которых находится над поверхностью воды, причем грануляционная емкость содержит (i) ловушки для перетекающей через край воды, отделенные от надводной части стенок по меньшей мере одной перегородкой, спускающейся в грануляционную емкость, (ii) перегородку, разделяющую грануляционную емкость на зону осаждения и зону гранулирования, (iii) аварийный желоб и аварийный контейнер для удаления с участка гранулирования случайно попавшего расплавленного материала и (iv) средство для ограничения подачи твердого материала из грануляционной емкости на транспортное средство; В) средство для подачи воды на расплавленный материал при выдаче расплавленного материала из средства для его передачи в зону гранулирования грануляционной емкости так, что расплавленный материал превращается в гранулированный материал и затем скапливается в зоне осаждения грануляционной емкости; С) средство для удаления гранулированного материала из зоны осаждения грануляционной емкости и D) средство для улавливания газовых выбросов из грануляционной емкости. 2. Устройство по п. 1, которое содержит также средство для утилизации воды, применяемой в грануляционной емкости. 3. Устройство по п. 1, которое содержит также средство для регулирования значения рH воды в пределах от нейтрального до слабоосновного. 4. Устройство по п. 1, в котором средство для удаления гранулированного материала содержит ковшовый элеватор, причем положение ковшового элеватора относительно дна грануляционной емкости может регулироваться. 5. Устройство по п. 1, в котором грануляционная емкость снабжена покрытием из полимерного материала. 6. Устройство по п. 1, в котором ловушки выполнены с возможностью регулирования их положения. 7. Устройство по п. 2, в котором рециркулируемую воду пропускают через осветитель/сгуститель для удаления взвешенного материала. 8. Способ гранулирования расплавленного материала, содержащий следующие стадии: А) подача расплавленного материала в зону гранулирования грануляционной емкости; В) осуществление контакта расплавленного материала с достаточным количеством воды, причем значение рН воды регулируют в пределах от нейтрального до слабоосновного и таким образом, что в зоне гранулирования расплавленный материал превращают в гранулированный материал со взрывами фреатических газов, не вызывающими повреждения грануляционной емкости; С) накапливают гранулированный материал в зоне осаждения грануляционной емкости; D) улавливают газовые выбросы из грануляционной емкости и преобразуют эти выбросы в форму, пригодную для выпуска в окружающую среду; Е) отводят от гранулированного материала воду, оставшуюся после операции (В), преобразуют отобранную воду в форму, пригодную для использования в ходе операции (В), и возвращают отобранную воду на операцию (В); F) удаляют гранулированный материал из зоны осаждения грануляционной емкости с помощью средства для удаления с регулируемым положением и G) отводят просыпавшийся материал из зоны гранулирования. 9. Устройство для гранулированного расплавленного материала, которое содержит А) средство для подачи расплавленного материала от источника расплавленного материала в грануляционную емкость с наклонными стенками, часть поверхности которых находится над поверхностью воды, причем грануляционная емкость содержит (i) ловушки для перетекающей через край воды, отделенные от надводной части стенок по меньшей мере одной перегородкой, опускающейся в грануляционную емкость, причем положение ловушек может регулироваться с целью контроля уровня воды в грануляционной емкости, (ii) перегородку, разделяющую грануляционную емкость на зону осаждения и зону гранулирования, (iii) полимерное покрытие, (iv) аварийный желоб и аварийный контейнер для удаления с участка гранулирования случайно попавшего расплавленного материала и (v) средство для ограничения выдачи твердого материала из грануляционной емкости на транспортное средство; В) средство для подачи нейтральной или слабоосновной воды на расплавленный материал при выдаче расплавленного материала от средства доставки в зону гранулирования грануляционной емкости с целью его превращения в гранулированный материал и затем накопления в зоне осаждения грануляционной емкости; С) ковшовый элеватор для удаления гранулированного материала из зоны осаждения грануляционной емкости, причем положение ковшового элеватора относительно дна грануляционной емкости может регулироваться; D) средство для улавливания газовых выбросов из грануляционной емкости и Е) средство для возврата воды из грануляционной емкости обратно в грануляционную емкость.