СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РУДНЫХ ТЕЛ
SYSTEM AND METHOD FOR ORE BODY THERMAL PROCESSING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Раскрываемая в настоящем описании система, согласно изобретению, относится к усовершенствованной системе извлечения металлов из руды.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Руда определяется как минерал или совокупность минералов, из которой может быть извлечена ценная составляющая и, более конкретно, по меньшей мере, один металл. Руда должна быть обработана, чтобы отделить от металла нежелательные органические вещества и минералы или другие неорганические материалы. Как только руда обработана, она может быть рафинирована, чтобы отделить металлы. Например, купелирование представляет собой способ рафинирования, используемый для отделения серебра от свинца. Комплексные руды в настоящем описании означают руду, в которой отношение металла к совокупности органических и неорганических веществ мало, или руду, в которой металл трудно отделим от совокупности органических и неорганических веществ.
Известные способы обработки включают в себя обработку рудного шлама известью и/или цианидом или обработку другими подобными процессами выщелачивания. Однако эти способы неэффективны и дороги, если приходится иметь дело с комплексными рудами. Соответственно, металлы в комплексных рудах могут быть неизвлекаемы. Даже если известные способы для обработки руды оказались эффективными и недорогими, они оказывают токсичное действие на окружающую среду. При использовании этих способов высвобождаются токсичные газы и химикалии, и в окружающую среду выбрасывается необработанная вода. Известные способы могут также требовать значительного подвода энергии.
В качестве ближайшего аналога заявленного изобретения могут рассматриваться известные из документа US 4883258 A, F27B 15/00, 28.11.1989 система и способ термической обработки руды, обладающие указанными выше недостатками предшествующего уровня техники.
Описываемая система по изобретению предоставляет способы и устройства, которые используются для эффективной и неэкстенсивной обработки комплексных руд. Система по изобретению также и "экологичная", то есть:
(1) Выбросы в атмосферу соответствуют или значительно ниже установленных действующих нормативов для Округа, Штата и Государства;
(2) Технологическая вода обрабатывается и удаляется с использованием технологии Best Available Control Technology (BACT), чтобы получить возможность ее выпуска в местную канализационную систему;
(3) Подача энергии регулируется так, чтобы она использовалось более эффективно.
ОПИСАНИЕ ТЕХНИКИ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ
Термическая обработка минералов и металлургических руд и концентратов для осуществления физических и химических преобразований в материалах, чтобы получить возможность восстановления металлов, известна в данной области техники. Такая обработка может предоставить пользующиеся спросом продукты, например чистые металлы, или промежуточные соединения, или сплавы, пригодные для подачи на дополнительное рафинирование. В данной области техники известно, что плазменные среды могут обеспечить высокие температуры для термической обработки при рафинировании металлов. Например, плазменные среды использовались для преобразования железосодержащего шлака в чистое железо. Более конкретно, для осуществления тепловых и физических изменений в обрабатываемой руде использовались низкотемпературные плазменные горелки. Обычно руда помещается в камеру или реактор, который нагревается плазменной горелкой. Системы такого типа могут также рассматриваться как печь. В печных условиях объединенные органические и неорганические вещества не могут быть удалены только вследствие нагрева. Обычно, следует добавлять экологически токсичные химикалии, чтобы создать условия, в которых может быть обработана руда.
Для обработки руды с использованием плазменного реактора следует учитывать несколько проблем. Во-первых, решающее значение имеет то, что подаваемая руда подвергается сильному тепловому воздействию, производимому плазменной горелкой в течение периода времени, достаточного для осуществления плавления или других реакций. Во-вторых, расходуемые компоненты горелки проявляют высокую скорость выхода из строя и низкую эффективность. В-третьих, известно, что сильный нагрев создает повреждение в стенках реактора по предшествующему уровню техники. В-четвертых, реакторы предшествующего уровня техники не могут работать с промышленной эффективностью. Обработка руды с промышленной эффективностью требует: (а) реактора, который может обработать сотни фунтов руды за короткий промежуток времени; (b) постоянных температур реактора; (c) низких уровней отказов и малой вероятности поломок материалов плазменной горелки и других компонентов реактора; и (d) легкой доступности частей реактора для обслуживания. В-пятых, крайне необходима возможность эффективного сбора обработанной руды. И наконец, известные реакторы энергетически неэффективны.
СИСТЕМА ПО ИЗОБРЕТЕНИЮ
Система по изобретению предоставляет уникальную конфигурацию, которая объединяет плазменную горелку с индукционным нагревом для обработки комплексных руд для удаления нежелательных органических и неорганических материалов, оставляя только металлы, с промышленной эффективностью и без выпуска токсичных химикалий или газов в окружающую среду. Система по изобретению показана в целом на Фиг.1-3. Следует отметить, что система по изобретению может быть воплощена во многих других формах и не должна рассматриваться как ограниченная представленными в настоящем описании вариантами реализации.
Относительно Фиг.1, в первом варианте реализации, система по изобретению содержит реактор (AMT Reactor™) (10), пылеулавливающую камеру (700) с фильтрами и газоотводную систему (800). Руда попадает в систему по изобретению в позиции (1) и обрабатывается в реакторе AMT Reactor™ (10). В простейшем сценарии обработанная руда удаляется из системы по изобретению в позиции (2).
При обработке руды с помощью реактора AMT Reactor™ (10) образуются газы, например углерод, сера, кислород и их комбинации. Когда газы покидают AMT Reactor™ (10) в позиции (3), частицы руды, имеющие более низкие плотности, могут быть втянуты в высокотемпературную пылеулавливающую камеру (далее "пылеулавливающая камера") (700) с фильтрами. Пылеулавливающая камера (700) содержит множество фильтров для сбора частиц руды. Поскольку некоторые из попадающих в пылеулавливающую камеру (700) частиц руды содержат металл, извлекаемые частицы руды могут быть химически обработаны (50), чтобы удалить нежелательный материал. В предпочтительном варианте реализации химическая обработка (50) может быть кислотной или основной обработкой.
Газы продолжают перемещаться от пылеулавливающей камеры (700) к газоотводной системе (800). Газоотводная система (800) собирает и очищает технологические газы от реактора AMT Reactor™ (10). Газоотводная система (800) работает в условиях вакуума или при давлении ниже атмосферного, так чтобы технологические газы двигались от реактора AMT Reactor™ (10) к газоотводной системе (800).
Как видно на Фиг.2, во втором варианте реализации система по изобретению дополнительно содержит вторую плавильную систему (900). Бывает так, что металлы так скрыты в нежелательных органических и неорганических материалах, что они не могут быть полностью обработаны в реакторе AMT Reactor™ (10). В таком случае руда также обрабатывается с помощью второй плавильной системы (900). Вторая плавильная система может быть вторым реактором AMT Reactor™ (10) или может быть образована, например, проводящими катушками. Даже если используется вторая плавильная система (900), желаемый металл может все же быть покрыт нежелательным органическим и неорганическим материалом, когда он покидает вторую плавильную систему (900) в позиции (6). Для удаления остающихся нежелательных органических и неорганических материалов руда может быть дополнительно обработана в химическом реакторе (50).
В каждом из вышеописанных вариантов реализации и в любых вариантах реализации, которые являются очевидными их вариациями, компоненты системы по изобретению связаны друг с другом высокотемпературными трубопроводами. Система по изобретению, независимо от варианта реализации, использует соответствующую систему ввода/вывода для управления всем - от скорости подачи руды до типа газов, выпускаемых через газоотводную систему (800). Система управления с вводом/выводом одновременно измеряет расходы в реакторе AMT Reactor™ (10) через пылеулавливающую камеру (700) и газоотводную систему (800). Она мгновенно подстраивает рабочие условия так, чтобы газы и другие токсические вещества были соответственно обработаны перед выпуском в окружающую среду. Следовательно, количество высвобождаемого токсичного газа и вещества тщательно отслеживается, и все выпускаемые газы и вещества соответственно обрабатываются и соответствуют или ниже всех установленных местных или государственных требований.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ НЕКОТОРЫХ ВИДОВ, ПРЕДСТАВЛЕННЫХ НА ЧЕРТЕЖЕ
Прочие признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из подробных нижеследующих описаний предпочтительного варианта реализации в связи с сопровождающими чертежами, среди которых:
Фиг.1 изображает блок-схему, показывающую один предпочтительный вариант реализации системы по изобретению;
Фиг.2 - блок-схема, показывающая второй предпочтительный вариант реализации системы по изобретению;
Фиг.3 - вид в разрезе реактора AMT Reactor™;
Фиг.4 - детальный вид разреза реактора AMT Reactor™;
Фиг.5 - схема системы по изобретению;
Фиг.6 - схема клапана изоляции горелки;
Фиг.7A - вид в разрезе варианта реализации системы подачи руды;
Фиг.7B - вид в разрезе другого варианта реализации системы подачи руды;
Фиг.8 - схема клапана изоляции четвертой камеры;
Фиг.9 - вид в разрезе подходящей плазменной горелки.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение описывается далее подробнее ниже со ссылкой на сопровождающие фигуры, на которых показаны предпочтительные варианты реализации изобретения. Однако настоящее изобретение может быть реализовано во многих других формах и не должно рассматриваться как ограниченное указанными вариантами реализации; то есть эти варианты реализации предоставлены для того, чтобы настоящее раскрытие было полным и завершенным и полностью передавало бы возможности изобретения специалистам в данной области техники.
Средства
В предпочтительном варианте реализации система по изобретению содержит реактор AMT Reactor™ (10), пылеулавливающую камеру (700) и газоотводную систему (800). В другом варианте реализации система по изобретению содержит реактор AMT Reactor™ (10), пылеулавливающую камеру (700), газоотводную систему (800) и вторую плавильную систему (900).
Со ссылкой на Фиг.3-5, реактор AMT Reactor™ (10) содержит первую камеру или подающую камеру (100), вторую камеру или реакционную камеру (200) и плазменную горелку (300). Плазменная горелка (300) вводится в реакционную камеру (200) через подающую камеру (100).
Плазменная горелка (300) имеет активную часть и неактивную часть, причем активная часть представляет собой анодную часть (смотри Фиг.9). Активная часть помещается внутри реакционной камеры (200). Глубина вставки является переменной и зависит от факторов, включающих в себя, но без ограничения изложенным, размер горелки и размер реактора AMT Reactor™ (10).
Для охлаждения каждого компонента реактора AMT Reactor™ (10) используются известные способы, более конкретно компоненты AMT Reactor™ (10) охлаждаются циркуляцией воды и хладагента через охлаждающий трубопровод. Трубопровод управляется упомянутой выше соответствующей системой с вводом/выводом. Известные способы используются и для подачи электроэнергии к реактору AMT Reactor™ (10).
4
2
4
3
6
Плазменные горелки известны в данной области техники. Характерная плазменная горелка показана на Фиг.9. Горючий газ вводится в горелку у катода и направляется к электрической дуге, становясь плазмой, и выходит через анодный просвет. Много различных типов горючих газов пригодны для использования с плазменными горелками, включая воздух, кислород, азот, водород, аргон, CH, CH и CH.
В предпочтительном варианте реализации используется плазменная горелка (300) такого типа, в которой горючий газ подается в плазменную горелку (300) по касательной к аноду и электроду, обеспечивая дуговой поток от горелки, при этом обуславливая вращательное движение дуги вокруг сопла горелки и работу электрода в режиме косвенного действия.
В предпочтительном варианте реализации подающая камера (100) имеет коническую форму с входным концом (110) и выходным концом (120), причем входной конец (110) имеет больший диаметр, чем выходной конец (120). Входной конец (110) имеет диаметр, достаточный для приема плазменной горелки (300), причем плазменная горелка имеет достаточный размер, чтобы создать необходимую температуру для проведения реакции в руде. Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что напряжение плазменной горелки (300) может варьироваться в зависимости от различных факторов, включая, но без ограничения изложенным, тип обрабатываемой руды и размер реактора AMT Reactor™ (10), среди прочих факторов.
В предпочтительном варианте реализации стенки подающей камеры (100) наклонены. Наклоненные стенки подающей камеры (100) позволяют лучше контролировать скорость подачи руды в реактор AMT Reactor™ (10). Например, руда, имеющая меньшую плотность, может не должным образом попадать в реакционную камеру (200), если стенки подающей камеры (100) не наклонены. Стенки подающей камеры (100) наклонены приблизительно на 60°. Однако в зависимости от размера реактора AMT Reactor™ (10) и других факторов, включая, но без ограничения изложенным, размер горелки и тип руды, этот угол может изменяться.
В предпочтительном варианте реализации плазменная горелка (300) активизируется с использованием гелия. Поскольку гелий является дорогостоящим, то как только плазменная горелка (300) становится установившейся, она работает с аргоном. Однако следует отметить, что если не учитывать стоимость и температурные условия, то любой известный или неизвестный горючий газ может быть использован для работы плазменной горелки (300).
Со ссылкой на Фиг.4-8, подающая камера (100) дополнительно содержит систему (550) подачи руды. Система подачи руды содержит, по меньшей мере, один загрузочный бункер (555) и систему (580) шнековой подачи. Система шнековой подачи содержит шнековый транспортер (556) и клапан (557) камеры подачи (показанный на Фиг.7). Оптимально, если система (550) подачи руды имеет, по меньшей мере, два загрузочных бункера (555) так, чтобы один загрузочный бункер (555) мог быть загружен, в то время как другой разгружался бы в реактор AMT Reactor™ (10).
При подаче руду в подающую камеру (100) кислород устраняется, по меньшей мере, из одного загрузочного бункера (555). По меньшей мере, один загрузочный бункер (555) заполняется газом-носителем. Когда клапан (557) камеры подачи и шнековый транспортер (556) находятся в открытом положении, добавка руды и газ подаются к реактору AMT Reactor™ (10) через подающую камеру (100), по меньшей мере, через один подающий трубопровод (101) в камеру (200) реактора AMT Reactor™ (10). Система (550) подачи руды поставляет добавку руды и газ вдоль той же самой оси, вдоль которой плазменная горелка (300) вставляется в реактор AMT Reactor™ (10). В предпочтительном варианте реализации в качестве газа-носителя используется азот.
Со ссылкой на Фиг.4-6, реакционная камера (200) обычно имеет трубчатую форму и содержит входной конец (210) и выходной конец (220). Длина реакционной камеры (200) зависит от различных факторов, включая, но без ограничений изложенным, размер реактора АМТ Reactor™(10), размер плазменной горелки (300) и скорость подачи руды, среди прочего.
Выходной конец (120) подающей камеры (100) сопрягается с входным концом (210) реакционной камеры (200), используя фланец (130). Реакционная камера (200) радиально окружена графитом (230). Графит (230) изолирован и затем радиально окружен нагревательными катушками (240). В предпочтительном варианте реализации нагревательные катушки (240) представляют собой индукционные катушки (240). Графит (230) радиально изолирован графитовым изолирующим слоем (231) и затем огнеупорной футеровкой (не показано). Функция индукционных катушек (240) двояка: (a) поддержание температуры реактора на относительно постоянном уровне; и (b) создание электромагнитного поля, которое помешивает руду, когда она проходит через реактор. В этой конфигурации графит можно расширить или сжать, при необходимости.
Область между реакторной камерой (200) и графитом (230) должна быть герметизирована, чтобы препятствовать перемещению материала вне реактора AMT Reactor™ (10) и защитить индукционные катушки (240) от прямого образования плазменной дуги, которая привела бы к сжиганию катушек.
Выходной конец (220) камеры (200) реактора AMT Reactor™ проходит через огнеупорную опорную плиту (233). Индукционная катушка (240) поддерживается огнеупорной опорной плитой (233); огнеупорная опорная плита (233) посажена на охлаждаемой водой опорной плите (234). Эта конфигурация позволяет расширение реакционной камеры (200) реактора AMT Reactor™, при необходимости.
Плазменная горелка (300) входит в камеру (200) реактора AMT Reactor™ через герметичный кожух (310) горелки, который совмещается с клапаном (320) изоляции горелки (см. также Фиг.6). Клапан (320) изоляции горелки создает вакуумно-плотную изоляцию между ним и реактором AMT Reactor™, между ним, камерой (200) реактора AMT Reactor™ и герметичным кожухом (310) горелки. Герметичный кожух (310) горелки выполнен из непроводящего материала.
Эта конфигурация электрически изолирует плазменную горелку (300) от остальной части реактора AMT Reactor™ (10). Для выполнения обслуживания плазменной горелки (300) клапан (320) изоляции горелки герметизируется, чтобы поддерживать атмосферу в камере (200) реактора AMT Reactor™ (10), и плазменная горелка (300) поднимается из реактора AMT Reactor™ (10).
Подающая камера (100) и реакционная камера (200) окружены третьей камерой (500). Третья камера (500) позволяет частицам и газу попасть в пылеулавливающую камеру (700). В предпочтительном варианте реализации третья камера (500) содержит, по меньшей мере, одну заслонку (530) камеры. Заслонка (530) камеры дает возможность доступа для обслуживания. Третья камера (500) имеет трубчатую форму и содержит входной конец (510) и выходной конец (520).
Для работы реактора AMT Reactor™ (10) устраняется воздух для создания среды с низким содержанием кислорода из камеры (200) реактора AMT Reactor™ (10) с использованием вакуумного насоса. Система затем изолирует вакуумный насос с помощью клапана. Реактор AMT Reactor™ (10) затем заполняется инертным газом до давления, близкого к атмосферному давлению. Затем плазменная горелка (300) воспламеняется, и добавляемая смесь руды и газа заполняет реактор AMT Reactor™ (10). По меньшей мере, один загрузочный бункер (555) откачивается, чтобы удалить кислород. По меньшей мере, один загрузочный бункер (555) затем заполняется газом, предпочтительно тем же самым, что и горючий газ, подавая руду в реактор AMT Reactor™ (10) через подающие трубопроводы (101).
Со ссылкой на Фиг.7A, в одном предпочтительном варианте реализации, по меньшей мере, один подающий трубопровод (101) просто выдает руду в реакционную камеру (200). Со ссылкой на Фиг.7B, во втором предпочтительном варианте реализации, по меньшей мере, один подающий трубопровод (101) имеет увеличенную длину так, чтобы подавать руду ближе к плазменной горелке (300). Удлиненный подающий трубопровод (101) имеет возможность регулировки и наклона. Наклон подобен таковому для стенки подающей камеры (200); наклон и длина зависят от типа обрабатываемой руды.
Выходной конец (520) третьей камеры (500) содержит, по меньшей мере, одно охлаждающее кольцо (550). Это, по меньшей мере, одно охлаждающее кольцо (550) содержит множество газовых форсунок. Когда обработанная руда падает в камеру (200) реактора AMT Reactor™ (10), она проходит через охлаждающие кольца (550), где она омывается газом. Предпочтительно, охлаждающий газ представляет собой благородный газ. Функция омывания двояка: (a) атомизация обработанной руды; и (b) охлаждение обработанной руды. Предпочтительно, газовые форсунки обращены к центру, по меньшей мере, одного охлаждающего кольца (550) и вниз к выходному концу (620) четвертой камеры (600) (рассматриваемой ниже).
Четвертая камера (600) содержит входной конец (610) и выходной конец (620). В предпочтительном варианте реализации четвертая камера имеет коническую форму, причем входной конец (610) имеет диаметр, больший, чем выходной конец (620). Выходной конец (520) третьей камеры (500) согласован с входным концом (610) четвертой камеры. Выходной конец (620) четвертой камеры (600) содержит нижний конический изолирующий клапан (540) (см. также Фиг.8). Нижний конический изолирующий клапан (540) позволяет устройству поддерживать среду с низким содержанием кислорода, обеспечивая обработку руды, удаление и сбор в сборный контейнер или бункер.
Пылеулавливающая камера
Как рассмотрено выше, частицы из реактора AMT Reactor™ (10) могут попадать в пылеулавливающую камеру (700). Пылеулавливающая камера (700) прикреплена к третьей камере (500). Как рассмотрено выше, имеется отрицательное давление, которое позволяет мелкодисперсному веществу попадать из реактора AMT Reactor™ (10) в пылеулавливающую камеру (700). Пылеулавливающая камера (700) содержит, по меньшей мере, один фильтр, который может отфильтровать частицы руды прежде, чем газы попадут в газоотводную систему (800).
Газоотводная система
Как рассмотрено выше, газоотводная система (800) эксплуатируется в вакууме или при давлении ниже атмосферного давления. Это заставляет газы течь из пылеулавливающей камеры (700) к газоотводной системе (800). Газоотводная система (800) использует известные способы для удаления серы и других вредных газов, которые поступают от реактора АМТ Reactor™ (10), перед выпуском нейтральных газов в атмосферу.
Вторая плавильная система
В некоторых случаях даже после обработки руды с помощью реактора AMT Reactor™ (10) извлечь ценный металл может быть затруднено. В этом случае руда обрабатывается с помощью второй плавильной системы (900). Эта система может быть системой с индукционным нагревом или, например, плавильной печью.
Оптимизация процесса
Для оптимальной работы системы по изобретению подаваемая руда попадает в подающую камеру (100) в тонкоизмельченном виде и при уровне влажности между 0-20%. Руда с большим влагосодержанием слипается в комки. Слипшаяся в комки руда тяжелее и проваливается через камеру (200) реактора AMT Reactor™ слишком быстро и, следовательно, время зависания руды уменьшается. Высокое влагосодержание также приводит к большему расходу материалов реактора AMT Reactor™ (10), например, быстрее сгорает головка плазменной горелки.
Реакционная камера (200) подготавливается к обработке руды посредством удаления кислорода из реакционной камеры (200). Это выполняется с использованием откачивающей вакуумной системы. В предпочтительном варианте реализации как только давление в реакционной камере (200) достигает значения, близкого к 0 psia (фунтов на квадратный дюйм), реакционная камера (200) реактора AMT Reactor™ заполняется сжигаемым газом. Оптимально, чтобы реактор AMT Reactor™ (10) работал приблизительно при 0-2 psia. В предпочтительном варианте реализации реакционная камера (200) поддерживается при температуре приблизительно в 3000°F, причем плазменная горелка работает при температуре приблизительно в 25000°F. Эти параметры могут варьироваться в зависимости от размера реактора AMT Reactor™ (10), типа руды и скорости подачи.