RS60730B1 - Peć sa plazma i gasnim gorionicima - Google Patents

Description

Predmetni pronalazak se odnosi na aparat pogodan za topljenje i razdvajanje metala u prilagodljivim oksido-redukcionim uslovima.

Gasni gorionici se koriste u pirometalurgiji za topljenje složenih metalurških šarži. Ova tehnologija je prikladna za održavanje oksidacionih uslova, kao što su oni za prevođenje sulfidnih punjenja u metal i SO2. Takođe je korisna kada su potrebni blagi redukcioni uslovi, kao za redukciju lako redukujućih metala, kao što su platinski metali ili bakar. Međutim, redukcija manje plemenitih metala, kao što je gvožđe, nije izvodljiva sa gasnim gorionicima.

Kada su potrebni jako redukcioni uslovi, gorionik mora da radi sa veoma siromašnom smešom, i suštinski proizvodi CO i veoma malo ili nimalo CO2. Iskoristiva entalpija gasova za gorionik je zato mnogo niža, i može postati nedovoljna da kompenzuje toplotne gubitke peći, odnosno da obezbedi dovoljno toplote za pokretanje endotermnih reakcija, kao što je redukcija oksida metala. Protok do gorionika može da se poveća, ali se time takođe povećava zapremina gasa koju treba obraditi u fabričkom filteru i u aparatu za naknadno sagorevanje.

Sa druge strane, plazma gorionici su pogodni za stvaranje veoma visoke iskoristive entalpije uz održavanje relativno male brzine protoka gasa, čak i sa veoma siromašnom smešom gasa. Međutim, oni imaju neka ograničenja, a jedan nedostatak im je potrošnja struje, veoma skupog izvora energije u mnogim zemljama. Drugi nedostatak je vezan za veće habanje i prateće troškove održavanja.

Metalurški postupci često uključuju niz koraka oksidacije i redukcije, ponekad pomešane sa razdvajanjem faza. U svakom koraku se obično koriste različite peći, i istopljena ili očvrsla faza se prenosi iz jedne u drugu peć. Svaka peć se optimizuje da radi u specifičnom opsegu oksidacionih ili redukcionih uslova.

Sada je nađeno da jedan aparat može biti pogodno opremljen gasnim i plazma gorionikom, pod uslovom da su obe tehnologije primenjene na kompatibilan način. To obezbeđuje nesmetan prelaz sa režima gasa na režim plazme, bez potrebe za bilo kakvom promenom konfiguracije aparata. U stvari, oba režima po potrebi mogu istovremeno da se koriste, npr. kada je potrebno dovođenje veoma velike energije. Štaviše, istopljeno kupatilo može ostati u istoj peći, što umnogome poboljšava efikasnost narednih koraka u procesu.

Sa tim ciljem, entalpija se dovodi direktno u kupatilo u obliku vrelih gasova kroz najmanje 2 potopljene mlaznice, od kojih jedna ima gasni gorionik, a druga plazma gorionik. Kada ima više od 2 mlaznice, vrste gorionika mogu da se mešaju i funkcionalno prilagođavaju željenoj obradi metala.

Treba primetiti da su poznate peći sa dvojnim sistemom zagrevanja, kao iz US 4486 229 A. Ovaj dokument opisuje aparat za karbotermičku redukciju smeše koja sadrži aluminijum oksid i silicijum oksid. Koriste se paralelni izvori toplote, a to je izvor toplote od sagorevanja i električni izvor toplote. Ova pouka je, međutim, ograničena na peći sa pokretnom posteljicom i visoke peći, i ne odnosi se na tehnologiju sa rastopljenim kupatilom.

Mlaznice poželjno treba da budu kratke, kako bi habanje bilo minimalno. To takođe obezbeđuje mali gubitak toplote. One mogu biti montirane horizontalno, tako da probijaju zid peći ispod nivoa kupatila. Gorionici, bilo na plazmu ili na gas, onda se nalaze izvan peći u potopivoj (odnosno, „potopljenoj“) poziciji; treba neprekidno da se napajaju gasom, kako bi se izbeglo da istopljena masa počne da teče unazad, čime bi izazvala teška oštećenja. Alternativno, mlaznice mogu biti montirane pod uglom, tako da i dalje duvaju u kupatilo, ali omogućavajući da gorionici budu iznad nivoa kupatila i van peći. Takav raspored ima za posledicu nešto duže mlaznice, ali garantuje da rastopljena materija neće moći da se vraća nazad u gorionike. Mada to može biti manje preporučljivo kod velikih peći, mlaznice se takođe mogu postaviti vertikalno.

Aparat je posebno prilagodljiv po pitanju oksido-redukcionog potencijala (pO2) koji može da se postigne. Dok je gasni gorionik savršeno pogodan za dovođenje dodatnog kiseonika u rastop (primenom smeše gasova bogate kiseonikom), plazma gorionik je idealan za dovođenje dodatnog redukcionog sredstva (dodavanjem prirodnog gasa zajedno sa plazma gasom, ili njegovim dovođenjem kao gasa za oblaganje plazme).

Opisani aparat je posebno pogodan za tretiranje metalurških šarži od recikliranih materijala, kao što su oni prikupljeni iz gradova. Takva punjenja su vrlo nehomogena, i potrebna je kontrola procesa u stvarnom vremenu kako bi se istovremeno regulisala temperatura kupatila i redukcija. To je najveća prednost peći sa dvojnim gorionikom, jer obezbeđuje dodatni stepen slobode operateru: unos entalpije zaista može da se prilagođava nezavisno od redoks potencijala, što je karakteristika koju je nemoguće ostvariti samo sa gasnim gorionikom. Upotreba samo električnog plazma gorionika rešava problem unosa entalpije pod redukcionim uslovima. Međutim, usmeravanje procesa ka preciznom pO2 je teško: količina gasa injektovanog u kupatilo je mala, zbog čega se dobija pO2 na koji utiču veoma raznorodne karakteristike šarže. To se ostvaruje uz smanjivanje troškova rada, što se teško postiže samo sa plazma gorionikom.

Potreban je proces za bolju kontrolu ova dva parametra.

U tu svrhu, predstavljen je aparat za topljenje metalurških šarži koji obuhvata peć sa kupatilom koja može da sadrži istopljenu šaržu do određenog nivoa, okarakterisanu time što je peć opremljena najmanje jednim plazma plamenikom sa neprenesenim lukom za generisanje prvih vrelih gasova; najmanje jednim gasnim gorionikom za generisanje drugih vrelih gasova; i potopljenim injektorima za injektovanje pomenutih prvih i drugih vrelih gasova ispod pomenutog određenog nivoa.

Plazma plamenik sa neprenesenim lukom se razlikuje od direktnog plazma plamenika kod koga je elektroda obično od ugljenika: ugljenična elektroda ima taj nedostatak što popravlja redukcione uslove, i time narušava svestranost opreme.

Pod potopljenim injektorom se podrazumeva konekciona cev ili mlaznica između izvora gasa i tačke injektovanja koja se nalazi ispod nivoa kupatila, dakle u potopljenoj poziciji. To obezbeđuje direktan kontakt između gasa i rastopljene mase.

Pod plazma plamenikom sa neprenesenim lukom se podrazumeva toplotni gasni generator koji koristi plazma plamenik, pri čemu se održava električni luk između elektroda u plameniku. Gas se uvodi kroz ulazni priključak u protočnu komoru, u kojoj se održava električni luk. Gas se zagreva do veoma visokih temperatura, i u obliku plazme se izbacuje kroz izlazni priključak.

Pod gasnim gorionikom se podrazumeva toplotni gasni generator koji meša i sagoreva ugljenično gorivo i gas koji sadrži kiseonik. Zona mešanja je u plameniku, dok zona sagorevanja može biti interna ili eksterna u odnosu na uređaj.

Štaviše, poželjno je da postoji najmanje jedan gorionik i najmanje jedan plamenik koji se nalazi ispod pomenutog određenog nivoa. Ova postavka zaista omogućava da vezivne cevi budu veoma kratke, pošto generator vrelog gasa može da se postavi na nivo injekcione tačke, sa spoljašnje strane peći. Međutim, potrebno je obaviti merenje kako bi se izbeglo da generator bude preplavljen rastopljenom masom. Može se koristiti kontinualni zaštitni protok gasa kroz injektor.

Predviđena metalurgija zahteva da se entalpija obezbeđuje na raznovrstan način, putem plazma plamenika i gasnih gorionika. Oba sistema bi trebalo da mogu da obezbede potrebnu toplotu u različitim fazama procesa. U tu svrhu, odnos ukupne nominalne entalpije izražen u MJ/s gasnog (gasnih) gorionika u odnosu na plazma plamenik(e) poželjno treba da bude 1:5 do 5:1. Slično tome, odnos ukupne nominalne brzine protoka gasa izražene u Nm<3>/s, koji može da bude doveden u gasni gorionik (gorionike) prema onom koji može da bude doveden u plazma plamenik(e) poželjno je 1:10 do 10:1. Pod „nominalnim“ se podrazumeva maksimalna vrednost sa nazivne pločice.

Peć treba da ima prilično veliki odnos visine prema prečniku da bi se izborila sa intenzivnim prskanjem rastopljene supstance dalje od injektovanja gasa ispod površine. Pod pretpostavkom da je peć sa cilindričnim dnom prečnika d i visine h, odnos h/d poželjno će biti veći od 4.

Takav aparat je koristan za mnoge različite dijagrame toka u oblasti metalurgije.

U prvom otelotvorenju, aparat može da se koristi u procesu za topljenje metalurških šarži, koji uključuje faze punjenja metalurške šarže, uključujući prelazne metale i sredstva za formiranje šljake u peć; topljenje šarže koristeći gasni gorionik (gorionike) kao primarni izvor entalpije, pri čemu nastaje legura koja sadrži prvi deo prelaznih metala i šljaka koja sadrži drugi deo prelaznih metala; tretiranje šljake u jako redukcionim uslovima koristeći plazma plamenik(e) kao primarni izvor entalpije, pri čemu nastaje legura obogaćena prelaznim metalima i šljaka osiromašenog sadržaja prelaznih metala prenošenjem pomenutog drugog dela prelaznih metala iz šljake u leguru; i razdvajanje legure i osiromašene šljake ispuštanjem tečnog metala.

U drugom otelotvorenju, aparat može da se koristi u procesu za topljenje metalurških šarži, koji uključuje faze punjenja metalurške šarže, uključujući prelazne metale i sredstva za formiranje šljake u peć; topljenje šarže koristeći gasni gorionik (gorionike) kao primarni izvor entalpije, pri čemu nastaje prva legura koja sadrži prvi deo prelaznih metala i šljaka koja sadrži drugi deo prelaznih metala; razdvajanje prve legure ispuštanjem tečnog metala, pri čemu šljaka ostaje u peći; tretiranje šljake u jako redukcionim uslovima koristeći plazma plamenik(e) kao primarni izvor entalpije, pri čemu nastaje druga legura obogaćena prelaznim metalima i šljaka osiromašenog sadržaja prelaznih metala prenošenjem pomenutog drugog dela prelaznih metala iz šljake u pomenutu drugu leguru; i razdvajanje druge legure i osiromašene šljake ispuštanjem tečnog metala.

Ta dva otelotvorenja dovode do proizvodnje „čiste“ šljake, tj. bez nepoželjnih elemenata. Isparljivi elementi, kao što su Zn ili Cd, mogu se ekstrahovati isparavanjem; neisparljivi elementi, kao što su Cu i Co, mogu se preneti u fazu legure. U oba slučaja, potrebni su pogodni redukcioni uslovi; oni su dobro poznati stručnjaku, u pogledu pO2 koji treba postići. Oni se mogu dobiti smanjenim dotokom gasa koji sadrži kiseonik ili dotokom supstanci koje sadrže ugljenik. Pogodnost ovih uslova se može proveriti, i po potrebi korigovati, analizom sastava faza. Takva analiza se može obaviti u stvarnom vremenu tokom završetka procesa.

U trećem otelotvorenju, aparat može da se koristi u procesu za topljenje metalurških šarži, koji uključuje faze punjenja metalurške šarže, uključujući prelazne metale i sredstva za formiranje šljake u peć; topljenje šarže pod jako redukcionim uslovima koristeći plazma plamenik(e) kao primarni izvor entalpije, pri čemu nastaje legura koja sadrži prelazne metale i prvu šljaku osiromašenu u prelaznim metalima; razdvajanje prve šljake ispuštanjem, pri čemu legura ostaje u peći; tretiranje legure koristeći gasne gorionik(e) kao primarni izvor entalpije, pri čemu nastaje legura delimično osiromašena u prelaznim metalima i druga šljaka obogaćena prelaznim metalima, prenošenjem dela prelaznih metala iz legure u drugu šljaku; i razdvajanje osiromašene legure i druge šljake ispuštanjem.

Treće otelotvorenje opisuje upotrebu aparata u sekvenci koja sadrži redukciju praćenu oksidacijom. Krajnja šljaka nije „čista“, ali u praksi može da se vrati u prvi korak procesa, kao deo punjenja.

Pod primarnim izvorom entalpije se podrazumeva da izvor obezbeđuje više od 50% ukupne entalpije izražene u MJ koja se dovodi u peć.

U gornjim procesima, poželjno je da se vrši injektovanje ispod nivoa na kome se gasovi uduvavaju u šljaku. Međutim, npr. faza tretiranja legure prema gorepomenutom trećem otelotvorenju takođe može da se izvede injektovanjem gasova u leguru.

Ta kombinacija omogućava duboku redukciju, dovoljan unos entalpije, i obezbeđuje dovoljnu prilagodljivost da se održe željeni uslovi čak i u slučaju veoma promenljivog punjenja.

Primer: Razdvajanje Cu-Ni-Fe u peći opremljenoj gasnim gorionikom i plazma plamenikom.

Šarža od 6 tona prženog koncentrata Cu-Ni-Fe sastava prema tabeli 1 obrađena je u peći sa otvorenim kupatilom da bi se Cu i Ni oplemenili na ekonomičan i efikasan način. Peć sa kupatilom je opremljena plazma plamenikom sa neprenesenim lukom od 3 MW povezanim sa potopljenom mlaznicom sa jedne strane, i drugom potopljenom mlaznicom u koju je smešten gasni gorionik od 1,5 MW. Unutrašnji prečnik peći je 1,5 m, a korisna visina (od dna do napojnog priključka) iznosi 7 m.

Tabela 1: Sastav punjenja (mas. %)

U prvom koraku, primenjeni su blago redukcioni uslovi na 1200 °C sa gasnim gorionikom kako bi se redukovao veći deo Cu prisutnog u koncentratu i sakupili Ni i Fe u fazi šljake. U šaržnom procesu u trajanju od 12 h, gorepomenuti koncentrat je šaržiran sa 0,5 tona/h zajedno sa 0,1 tonom/h krečnjaka kao topitelja. Da bi se održala toplotna ravnoteža peći sa temperaturom kupatila od 1200 °C i odgovarajućim lambda od 0,7, gasni gorionik injektuje 200 Nm<3>/h prirodnog gasa i 240 Nm<3>/h kiseonika u kupatilo. Posle šarže od 12 h, formirano je oko 160 kg prve legure, i 5,8 tona šljake koja sadrži Ni-Fe. Odgovarajući sastav prikazan je u tabelama 2 i 3.

Tabela 2: Sastav prve legure (mas. %)

Tabela 3: Sastav šljake (mas. %)

Legura je ispuštena, gasni gorionik je ugašen, uz održavanje bezbednosnog protoka azota kroz mlaznicu, i plazma plamenik je pokrenut da bi se kupatilo šljake zagrejalo na 1500 °C radi izolovanja Ni i Fe. Posle šarže od 3 h, formirano je oko 1,6 tona druge legure Fe-Ni, i 4,1 tona prečišćene šljake. Odgovarajući sastav prikazan je u tabelama 4 i 5.

Tabela 4: Sastav druge legure (mas. %)

Tabela 5: Sastav prečišćene šljake (mas. %)

Plazma plamenik je upotrebljen u jako redukcionim uslovima sa 700 Nm<3>/h vazduha kao plazma gasom, i 500 Nm<3>/h prirodnog gasa da bi se dobila prosečna vrednost lambda od 0,3 za injektovane gasove. Električna energija plazma plamenika u ovom procesu je 2,3 MW. Da bi se šljaka održala u tečnom stanju, 0,2 tone/h krečnjaka je dodato tokom faze prečišćavanja šljake. Primer ilustruje upotrebu obe tehnologije zagrevanja u zavisnosti od različitih metala koje treba izolovati.

Claims (10)

PATENTNI ZAHTEVI

1. Aparat za topljenje metalurških šarži koji obuhvata peć sa kupatilom koja može da sadrži rastopljenu šaržu do određenog nivoa, naznačenu time što ta peć ima:

- najmanje jedan plazma plamenik sa neprenesenim lukom za stvaranje prvog vrelog gasa;

- najmanje jedan gasni gorionik za stvaranje drugog vrelog gasa; i,

- potopljene injektore za injektovanje pomenutog prvog i drugog vrelog gasa ispod pomenutog određenog nivoa.

2. Aparat prema zahtevu 1, naznačen time što se pomenuti najmanje jedan gorionik i najmanje jedan plamenik nalaze ispod pomenutog određenog nivoa.

3. Aparat prema bilo kom od zahteva 1 do 2, naznačen time što je odnos ukupne nominalne entalpije izražen u MJ/s gasnog (gasnih) gorionika prema plazma plameniku(plamenicima) 1:5 do 5:1.

4. Aparat prema bilo kom od zahteva 1 do 3, naznačen time što, odnos ukupne nominalne brzine protoka gasa izražen u Nm3/s, koji može da se dovede na gasni gorionik (gorionike) prema onoj koja može da se dovede na plazma plamenik(e) treba poželjno da bude 1:10 do 10:1.

5. Aparat prema bilo kom od zahteva 1 do 4, naznačen time što peć ima generalno cilindričan oblik, sa kružnim dnom prečnika d, i bočnim zidovima visine h, gde je odnos h prema d veći od 4.

6. Upotreba aparata prema zahtevima 1 do 5 za topljenje metalurških šarži.

7. Proces za topljenje metalurških šarži koristeći aparat prema bilo kom od zahteva 1 do 5, koji sadrži sledeće korake:

- punjenje metalurške šarže, uključujući prelazne metale i sredstva za formiranje šljake u peć;

- topljenje šarže koristeći gasni gorionik (gorionike) kao primarni izvor entalpije, pri čemu nastaje legura koja sadrži prvi deo prelaznih metala i šljaka koja sadrži drugi deo prelaznih metala;

- tretiranje šljake u jako redukcionim uslovima koristeći plazma plamenik(e) kao primarni izvor entalpije, pri čemu nastaje legura obogaćena prelaznim metalima i šljaka osiromašenog sadržaja prelaznih metala prenošenjem pomenutog drugog dela prelaznih metala iz šljake u leguru; i,

- razdvajanje legure i osiromašene šljake ispuštanjem tečnog metala.

8. Proces za topljenje metalurških šarži koristeći aparat prema bilo kom od zahteva 1 do 5, koji sadrži sledeće korake:

- punjenje metalurške šarže, uključujući prelazne metale i sredstva za formiranje šljake u peć;

- topljenje šarže koristeći gasni gorionik (gorionike) kao primarni izvor entalpije, pri čemu nastaje prva legura koja sadrži prvi deo prelaznih metala i šljaka koja sadrži drugi deo prelaznih metala;

- razdvajanje prve legure ispuštanjem tečnog metala, pri čemu šljaka ostaje u peći;

- tretiranje šljake u jako redukcionim uslovima koristeći plazma plamenik(e) kao primarni izvor entalpije, pri čemu nastaje druga legura obogaćena prelaznim metalima i šljaka osiromašenog sadržaja prelaznih metala prenošenjem pomenutog drugog dela prelaznih metala iz šljake u pomenutu drugu leguru; i,

- razdvajanje druge legure i osiromašene šljake ispuštanjem tečnog metala.

9. Proces za topljenje metalurških šarži koristeći aparat prema bilo kom od zahteva 1 do 5, koji sadrži sledeće korake:

- punjenje metalurške šarže, uključujući prelazne metale i sredstva za formiranje šljake u peć;

- topljenje šarže pod jako redukcionim uslovima koristeći plazma plamenik(e) kao primarni izvor entalpije, pri čemu nastaje legura koja sadrži prelazne metale i prvu šljaku osiromašenu u prelaznim metalima;

- razdvajanje prve šljake ispuštanjem, pri čemu legura ostaje u peći;

- tretiranje legure koristeći gasni gorionik (gorionike) kao primarni izvor entalpije, pri čemu se formira legura delimično osiromašena u prelaznim metalima i druga šljaka obogaćena prelaznim metalima prenošenjem dela prelaznih metala iz legure u drugu šljaku; i,

- razdvajanje osiromašene legure i druge šljake ispuštanjem.

10. Postupak prema bilo kom od zahteva 7 do 9, naznačen time što su potopljeni injektori postavljeni tako da injektuju pomenuti prvi i drugi vreli gas u šljaku.

Izdaje i štampa: Zavod za intelektualnu svojinu, Beograd, Kneginje Ljubice 5