ПЕЧЬ И СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ
FURNACE AND PROCEDURE FOR WASTE PROCESSING

Настоящее изобретение относится к печи и способу переработки отходов, в частности для валоризации таких отходов, как сталеплавильная пыль, алюминиевый шлак и стружка, электронный лом, отходов, содержащих драгоценные металлы, или обезвреживания опасных материалов, таких как асбестовое волокно.
Отходы сбрасывают в слой расплавленного металла, причем полная их переработка осуществляется практически на поверхности упомянутого слоя. Такая переработка позволяет, например, извлекать металлическую фракцию, содержащуюся в отходах.
В основе технологических процессов по переработке отходов, возникающих в различных отраслях промышленности, лежит использование больших установок, включающих печи, в которых выполняется плавление, спекание или перевод в летучее состояние отходов, которые необходимо извлечь, обезвредить или уничтожить, и эти установки, в основном, дороги и имеют довольно низкую энергоэффективность, в результате чего утилизация отходов становится очень дорогостоящим процессом.
При использовании расплавленного металла переработка отходов, имеющих плотность ниже плотности расплавленного металла, усложнена из-за того, что такие отходы не попадают в этот металл вследствие наличия слоя шлака на его поверхности, более низкая плотность которого препятствует контакту отходов с расплавленным металлом.
Кроме того, отходы обычно содержат материалы, относящиеся к разным перемешанным типам, например пластики, металлы и др., что при плавлении может обусловить возникновение загрязняющих газов или дымов, которые трудно переработать. Это предполагает необходимость выполнения предварительной сортировки отходов или выборочной переработки.
Одним из типов обрабатываемых отходов может быть, например, сталеплавильная пыль, которая содержит большие количества Zn, Pb или Cd, такие отходы образуются во время выполнения операций рафинирования и выплавки в ходе процессов по производству стали, накапливаются в системах очистки дымов и представляют опасность, главным образом, из-за наличия Pb или Cd.
В настоящее время сталеплавильную пыль перерабатывают различными путями:
- сваливают в местах сброса, предназначенных для опасных продуктов. Это вариант, используемый в наименьшей степени, так как он является дорогим, и существуют другие, более подходящие альтернативы;
- обезвреживают за счет примешивания связывающих добавок, способных образовать оболочку, которая позволяет провести тест на выщелачивание, установленный законодательными актами;
- извлекают валоризуемые металлы посредством тепловой обработки, а также отделения и очистки газов, содержащих испаряемые металлы.
Существует значительное количество способов, разработанных специально для переработки сталеплавильной пыли, направленных на решение задачи по извлечению металлов, содержащихся в упомянутых отходах, посредством применения очень непохожих технологий. Так, например, в патентах US 6322745, US 5942023 и US 6494933 описаны способы переработки, в которых как используемая технология, так и получаемый результат существенно различаются в соответствии с применяемым процессом. Указанные патенты отражают существующий уровень техники, так как основаны на переработке сталеплавильной пыли с использованием трех наиболее распространенных в мире способов.
В этих процессах восстановление оксида железа, содержащегося в сталеплавильной пыли, во всех случаях достигается путем подачи углеродсодержащего материала в качестве восстановителя. Различия заключаются в том, каким образом и в какой момент времени материалы подаются в печь, в геометрических характеристиках печи и используемой системе нагрева.
Упомянутые различия можно заметить, в частности, в технологических ограничениях, которые имеют эти отличающиеся процессы. В качестве примера можно привести системы нагрева. В упомянутых выше патентах используются, в соответствии с указанным порядком следования, сжигание углерода при кислородном дутье, плазменная дуга на постоянном токе и сжигание углерода при вдувании воздуха.
В случае кислородного дутья и плазмы достигаются высокие температуры процесса, вызывающие значительные проблемы, связанные с ухудшением свойств огнеупорных материалов или реакционных камер печи. Настоятельная необходимость в использовании панелей и систем охлаждения напрямую влияет на снижение энергоэффективности.
При вдувании воздуха температуры ниже, но не происходит восстановления непостоянной по объему части железа, содержащегося в сталеплавильной пыли, и получаемый материал должен в дальнейшем повторно обрабатываться в дуговой печи, так как не достигается температура плавления металла, которая обеспечила бы непосредственное выделение железа.
Другим типом трудно перерабатываемых отходов является алюминиевая стружка, имеющая очень небольшую плотность по сравнению с расплавленным металлом, что затрудняет плавление стружки, а также создает проблемы, связанные с легким корродированием стружки при контакте с воздухом. Устройство для переработки стружки описано в патенте US 6036745. В нем описана большая печь, сообщающаяся с двумя связанными между собой резервуарами, в которые металл из печи подается с помощью насоса или насосной станции. Что касается первого резервуара, то, во-первых, снаружи в него подаются твердые частицы металла, и, во-вторых, из печи в него подается расплавленный металл, созданная таким образом смесь затем транспортируется во второй резервуар, из которого наружу выводятся примеси, пена и шлак, находящиеся в ванне, а расплавленный металл возвращают в печь.
Эта печь имеет небольшое выпускное отверстие с одной стороны, чтобы обеспечить, с помощью насоса, протекание металла в первый резервуар, в котором расположено отклоняющее устройство, вызывающее движение по спирали в режиме циркуляции, способствующее погружению частиц отходов в поток металла, с последующим прохождением этого потока металла через канал, находящийся на дне упомянутого первого резервуара, во второй резервуар, в котором выпускаются пена, шлак и примеси, как было упомянуто ранее, после чего поток металла вводится в печь.
Таким образом, переработка алюминиевого шлака или стружки выполняется путем погружения в расплав, содержащийся в первом резервуаре, путем создания направленного вниз спирального потока, переносящего стружку с поверхности расплавленного металла в его внутреннюю часть.
Эта печь имеет большие размеры, нагревается за счет резистивности, для чего необходимо высокое напряжение, и требует большой протяженности производственной площади, что, в основном, делает ее использование экономически эффективным на больших предприятиях по переработке отходов.
Установка имеет сложную геометрию из-за включения в ее состав с одной стороны печи, а с другой стороны связанных между собой резервуаров и соединяющих каналов, что повышает сложность обслуживания этой установки, ее включения/выключения и опорожнения.
Также необходимо отметить, что в установке, предлагаемой в этом патенте, для перемещения расплавленного металла используются погружные насосы, что предполагает сложности при их обслуживании.
Эта установка пригодна для переработки алюминиевой стружки, но является потенциально опасной из-за быстрого погружения алюминия в расплав металла, так как это может вызвать взрыв, если алюминиевая стружка содержит воду или влагу, в связи с тем, что такая вода превращается в водород, который может неожиданно взрываться.
В патентах US 6217823, US 4598899 и US 5143357 описаны другие установки, основным назначением которых является переработка алюминиевой стружки.
Способ переработки отходов, предлагаемый настоящим изобретением, содержит следующие этапы, на которых:
- создают слой расплавленного металла, перемещающийся в направлении вперед, таким образом, чтобы обеспечить замкнутую систему циркуляции в циклическом и непрерывном режиме, причем поверхность этого слоя содержит, по меньшей мере, один фактически свободный от шлака сегмент;
- загружают отходы в упомянутый фактически свободный от шлака сегмент, причем упомянутые отходы переносятся слоем расплавленного металла таким образом, что эти отходы плывут в упомянутом направлении вперед;
- задерживают отходы на поверхности слоя расплавленного металла по мере их перемещения в упомянутом направлении вперед; и
- перерабатывают отходы под влиянием постоянного и непрерывного теплообмена, созданного перемещением слоя расплавленного металла, находящегося ниже удерживаемых им отходов.
Способ содержит отделение шлака, в результате чего поверхность слоя расплавленного металла имеет упомянутый, по существу, фактически свободный от шлака сегмент, положение которого будет совпадать с зоной загрузки отходов. Для этого шлак отделяют после задержания и переработки отходов и перед загрузкой отходов, соответствующих следующему циклу работы.
Отходы задерживают перед отделением шлака, в результате чего переработку отходов выполняют в широкой зоне, простирающейся от зоны загрузки отходов до зоны отделения шлака.
Способ также содержит нагрев слоя расплавленного металла после отделения шлака, в результате чего упомянутый, по существу, свободный от шлака сегмент всегда имеет, по существу, постоянную температуру.
Нагрев слоя расплавленного металла, в зависимости от его природы, может выполняться при помощи плазменной горелки или электрической дуги и может осуществляться в одном или более мест в слое расплавленного металла.
Нагрев может содержать дополнительный нагрев поблизости от зоны задерживания отходов, чтобы ускорить их переработку, например, для таких материалов, как сталеплавильная пыль, асбестовое волокно и т.д.
Согласно способу, соответствующему настоящему изобретению, после загрузки отходов в упомянутый, фактически свободный от шлака сегмент они переносятся слоем расплавленного металла как лентой конвейера до их задерживания, освобождая зону загрузки отходов, которая будет занята новым, фактически свободным от шлака сегментом слоя расплавленного металла, который имеет постоянную температуру. Отходы задерживают в состоянии плавания на поверхности слоя расплавленного металла до тех пор, пока они не будут полностью переработаны (расплавлены, подвергнуты спеканию, переведены в летучее состояние и т.д.) за счет непрерывного перемещения слоя расплавленного металла.
Способ, соответствующий настоящему изобретению, разработан таким образом, что нет необходимости в погружении отходов в слой расплавленного металла, вместо этого отходы, по существу, плавятся на поверхности этого слоя под влиянием его температуры и перемещения, чему способствует задерживание отходов, таким образом снижается время переработки, делая возможным их полную переработку вследствие непрерывного перемещения слоя металла, находящегося под отходами, что ускоряет теплообмен при переработке отходов по сравнению с неподвижным слоем металла.
Способ предусматривает периодический выпуск части расплавленного металла, формирующего слой, для его утилизации.
В зоне переработки и нагрева слой расплавленного металла характеризуется большой удельной площадью поверхности по отношению к общей массе, т.е. большой величиной отношения поверхности к массе металла, что определяет способность этого слоя перерабатывать большое количество отходов на единицу времени и энергии.
Загрузка отходов выполняется в соответствии с их собственной скоростью переработки. Разумеется, за счет регулирования параметров переработки можно осуществлять загрузку отходов в непрерывном режиме.
Также необходимо отметить, что нет необходимости выполнять предварительную сортировку отходов. В случае алюминия риск взрыва снижается за счет недопущения погружения алюминиевой стружки или шлака в расплавленный металл.
Слой расплавленного металла может быть создан с использованием черных или цветных металлов, в зависимости от природы перерабатываемых отходов.
Отходы могут содержать различные фракции и, в частности, любое из следующего:
- металлическую фракцию, которая растворима в слое расплавленного металла при существующей температуре этого слоя;
- испаряемую фракцию. Эта фракция может содержать часть металла в виде оксидов Pb, Zn или Cd;
- фракцию, которая нерастворима при существующей температуре слоя расплавленного металла и не является испаряемой. Эта фракция может содержать неорганические материалы, такие как, например, диоксид кремния, оксид кальция и асбест.
Способ, соответствующий настоящему изобретению, позволяет выполнять полную переработку отходов, т.е. всех составляющих их фракций.
Металлическая фракция, которая растворима в слое расплавленного металла при существующей температуре этого слоя, интегрируется в данный слой. Интегрирование этой металлической фракции предполагает валоризацию этой фракции отходов.
Испаряемую фракцию подвергают отделению и обработке как во время загрузки отходов, так и во время задерживания отходов и их переработки, сюда входит фильтрация дымов, возникающих при контакте отходов со слоем расплавленного металла, связывание элементов, если это возможно, или разрушение вредных соединений, и даже извлечение той части металла, которая может содержать испаряемый компонент, такой как оксиды, например.
Фракция, которая нерастворима при существующей температуре слоя расплавленного металла и не является испаряемой, располагается на поверхности слоя расплавленного металла в виде шлака.
Таким образом, можно перерабатывать, например, сталеплавильную пыль, алюминиевый шлак или стружку, драгоценные металлы, прокатную окалину и шлам, электронный лом и даже такие отходы, как асбест или радиоактивные материалы, либо другие отходы, содержащие металлическую фракцию (окисляемую или нет), и другие неорганические компоненты, поддающиеся переводу в шлак.
Кроме того, настоящее изобретение относится к печи для переработки отходов, содержащей резервуар с расплавленным металлом, выполненный в виде канала, устроенного таким образом, что он образует замкнутую систему циркуляции, и средство приведения в движение расплавленного металла, заставляющее этот металл перемещаться внутри резервуара в непрерывном и циклическом режиме.
Печь имеет, по меньшей мере, одну зону загрузки отходов, предназначенную для сбрасывания отходов на поверхность расплавленного металла, циркулирующего в резервуаре, и, по меньшей мере, одну зону переработки, содержащую средство задерживания отходов, предназначенное для задерживания отходов, которые переносит при своем перемещении расплавленный металл, причем средство задерживания расположено, по существу, на уровне поверхности расплавленного металла.
Резервуар может дополнительно содержать средство периодического выпуска, чтобы выпускать часть расплавленного металла.
Техническая задача настоящего изобретения заключается в осуществлении перемещения расплавленного металла внутри резервуара, что вызывает перемещение отходов таким образом, что они плывут из упомянутой, по меньшей мере, одной зоны загрузки в направлении к упомянутой, по меньшей мере, одной зоне переработки, в которой отходы задерживаются средством задерживания, в то время как расплавленный металл продолжает свое перемещение под отходами, вызывая их переработку.
Печь также содержит, по меньшей мере, одну зону отделения шлака, размещенную вслед за упомянутой, по меньшей мере, одной зоной переработки, что позволяет обеспечить, по существу, свободную от шлака поверхность расплавленного металла в упомянутой, по меньшей мере, одной зоне загрузки отходов, чтобы способствовать быстрому плавлению отходов.
Печь дополнительно содержит, по меньшей мере, одну зону нагрева, которая размещена после упомянутой, по меньшей мере, одной зоны отделения шлака, в результате чего расплавленный металл имеет в упомянутой, по меньшей мере, одной зоне загрузки, по существу, постоянную температуру.
Упомянутая, по меньшей мере, одна зона переработки отходов простирается от упомянутой, по меньшей мере, одной зоны загрузки в направлении упомянутой, по меньшей мере, одной зоны отделения шлака, причем переработку отходов выполняют, по существу, на поверхности расплавленного металла, без необходимости погружать эти отходы в расплавленный металл. После того как отходы загружены в упомянутой, по меньшей мере, одной зоне загрузки, они переносятся расплавленным металлом как лентой конвейера до тех пор, пока не будут задержаны средством задерживания, либо ранее задержанными отходами и обрабатываемыми отходами, при этом возникает область, которая может простираться от зоны загрузки до зоны задерживания отходов, в результате чего отходы занимают поверхность слоя расплавленного металла до тех пор, пока они не будут полностью переработаны под действием непрерывного перемещения расплавленного металла.
В зонах переработки и нагрева резервуар с расплавленным металлом имеет уменьшенную высоту по сравнению с его сечением в горизонтальной плоскости для обеспечения оптимальной энергоэффективности, т.е. расплавленный металл имеет большую величину отношения между поверхностью и массой.
Предлагается, чтобы упомянутая, по меньшей мере, одна зона нагрева содержала, по меньшей мере, одну электрическую дугу, созданную, например, при помощи плазменной горелки.
Кроме того, печь содержит средство обработки, предназначенное для обработки дымов, которые могут возникать в результате сжигания органической фракции в некоторых типах отходов. Это средство обработки дымов простирается до упомянутой, по меньшей мере, одной зоны переработки отходов и до упомянутой, по меньшей мере, одной зоны загрузки, когда этого требует природа подобных отходов.
Слой расплавленного металла может быть образован черным или цветным металлом, в зависимости от перерабатываемых отходов.
Упомянутая, по меньшей мере, одна зона загрузки в печи может быть разделена на несколько зон, по которым выборочно распределяют разные типы отходов с целью оптимизации условий их переработки.
А именно предусмотрены следующие зоны загрузки:
- зона загрузки отходов перед средством нагрева. В этой зоне загружают отходы, которым необходима высокая температура плавления и которые создают небольшое количество газов, а также отходы, включающие материал, который должен быть расплавлен перед тем, как достигнет средства нагрева.
- зона загрузки отходов через средство нагрева. А именно, если средство нагрева создано с использованием плазменной горелки, то загрузка происходит через центральный канал этой горелки. Отходы, которые вводят через этот канал, относятся к тому типу, который не образует газов, являются мелкими с точки зрения гранулометрического состава, в результате чего могут быть введены в канал, либо относятся к тому типу, который предполагается расплавлять в инертной атмосфере. В качестве примера можно привести алюминиевую стружку, которую вводят через эту зону для ее быстрого расплавления перед вхождением в контакт с расплавом, что позволяет избежать ее окисления. Через эту зону также могут быть введены опасные материалы и драгоценные металлы.
- зона загрузки после средства нагрева. В этой зоне загружают материалы, образующие большое количество дымов, которые могут быть обработаны с использованием средства обработки дымов, установленного в зоне переработки отходов. Это такие материалы, как, например, сталеплавильная пыль или электронный лом.
Предлагается, чтобы отходы могли вводиться в печь в виде гранул или брикетов, образованных оксидами металлов.
Печь, соответствующая настоящему изобретению, может выполнять полную переработку отходов, содержащих различные фракции и, в частности, любое из следующего:
- металлическую фракцию, которая растворима в слое расплавленного металла при существующей температуре этого слоя.
- испаряемую фракцию. Эта фракция может содержать часть металла в виде оксидов Pb, Zn или Cd.
- фракцию, которая нерастворима при существующей температуре слоя расплавленного металла и не является испаряемой. Эта фракция может содержать неорганические материалы, такие как, например, диоксид кремния, оксид кальция и асбест.
Металлическая фракция, которая растворима в слое расплавленного металла при существующей температуре этого слоя, интегрируется в слой расплавленного металла и может быть собрана через средство выпуска.
Испаряемую фракцию собирают при помощи средства обработки дымов, это позволяет связывать элементы, если это возможно, или разрушать вредные соединения, и даже извлекать часть металла (Pb, Zn, Cd), который может содержать испаряемая фракция.
Фракцию, которая нерастворима и не является испаряемой при существующей температуре слоя расплавленного металла, превращают в шлак на поверхности слоя расплавленного металла.
Чтобы дополнить данное описание, а также для более четкого понимания отличительных особенностей данного изобретения, соответствующих предпочтительному варианту его реализации на практике, в качестве неотъемлемой части этой заявки приложена группа чертежей, на которых в виде иллюстрации, не подразумевающей каких-либо ограничений, изображено следующее:
на фиг.1 схематично показана печь для переработки отходов, предлагаемая настоящим изобретением;
на фиг.2 схематично представлен процесс переработки отходов, включая зону задерживания, предназначенную для задерживания таких отходов;
на фиг.3 схематично показана печь, образованная четырьмя зонами переработки отходов.
Ниже со ссылкой на чертежи описан предпочтительный вариант печи для переработки отходов, предлагаемой настоящим изобретением.
Как показано на фиг.1, печь для переработки отходов содержит резервуар (1) с расплавленным металлом, зону (2) загрузки, предназначенную для загрузки отходов (W) в направлении резервуара (1), зону (3) переработки, содержащую средство (4) задерживания отходов и средство приведения в движение (не показано), вызывающее перемещение металла в непрерывном и циклическом режиме внутри резервуара (1), в результате чего расплавленный металл переносит отходы на своей поверхности до тех пор, пока не достигнет средства (4) задерживания, не позволяющего отходам (W) пройти, в то время как расплавленный металл продолжает перемещаться под отходами (W), вызывая их полную переработку, как будет описано ниже.
Как показано на фиг.2, средство (4) задерживания размещено поблизости от поверхности расплавленного металла, и это средство воздействует на отходы, задерживая их, но не препятствуя перемещению расплавленного металла.
Кроме того, в состав печи входит зона нагрева, содержащая средство (5) нагрева, например плазменную горелку, и зона (6) обработки дымов (не показана), простирающаяся до зоны (3) переработки и/или до зоны (2) загрузки, в зависимости от природы перерабатываемых отходов.
Печь содержит зону (6) отделения шлака, размещенную после зоны (3) переработки и перед зоной (2) загрузки, в результате чего в зоне (2) загрузки отходов поверхность расплавленного металла свободна от шлака.
Средство (5) нагрева размещено после зоны (6) отделения шлака, в результате чего поверхность расплавленного металла в зоне (2) загрузки имеет, по существу, равномерное распределение температуры.
Печь может содержать средство (7) периодического выпуска, чтобы выпускать часть расплавленного металла.
В зонах переработки и нагрева резервуар (1) с расплавленным металлом имеет небольшую глубину по сравнению с его сечением в горизонтальной плоскости, в результате чего обеспечена большая удельная площадь поверхности перемещающегося расплавленного металла по отношению к общей массе этого металла.
Как можно видеть из схемы, показанной на фиг.2, данный способ позволяет выполнить полную переработку отходов.
Более конкретно, на фиг.2 показаны отходы (W), содержащие следующие фракции:
- металлическую фракцию (W1), которая растворима в слое расплавленного металла при существующей температуре этого слоя;
- испаряемую фракцию (W2), которая может содержать часть металла;
- фракцию (W3), которая нерастворима при существующей температуре слоя расплавленного металла и не является испаряемой.
Как показано на фиг.2, отходы (W) загружаются в зону (2) загрузки и транспортируются расплавленным металлом до тех пор, пока они не будут задержаны средством (4) задерживания. Переработка отходов начинается в зоне (2) загрузки, но заканчивается при их задерживании средством (4) задерживания, что позволяет уменьшить время их переработки. Этой переработке способствует непрерывное воздействие расплавленного металла, находящегося под отходами (W). Если говорить более конкретно, растворимая металлическая фракция (W1) интегрируется в слой (1) расплавленного металла, в то время как испаряемая фракция (W2) будет перемещаться на этап обработки и отделения, содержащий фильтрацию дымов и извлечение части металла, которую может содержать эта фракция, а также разложение потенциально опасных материалов, которые она может включать. Фракция (W3), которая нерастворима при существующей температуре слоя расплавленного металла и не является испаряемой, перемещается на поверхности слоя расплавленного металла в виде шлака.
Печь, показанная на фиг.1, относится к базовому варианту реализации настоящего изобретения, содержащему минимально необходимые средства и зоны для переработки отходов, но очевидно, что этот вариант обладает модульностью и может быть повторен любое число раз при необходимости, в зависимости от количества обрабатываемых отходов. Например, на фиг.3 схематично показана печь, образованная четырьмя модулями, аналогичными печи, показанной на фиг.1.