Устройство получения высокодисперсных металлсодержащих порошков из металлсодержащих техногенных отходов
DEVICE FOR PRODUCTION OF HIGH-DISPERSED METAL-CONTAINING POWDERS OF METAL-CONTAINING TECHNOGENIC WASTE

Изобретение относится к химической промышленности, металлургии и охране окружающей среды и может быть использовано для изготовления порошков металлов и их соединений, в том числе из техногенных отходов процесса добычи и переработки руд, производства и обработки изделий и конструкций из металлов и сплавов, а также из других типов металлсодержащих отходов, таких как техногенные отходы станций обезжелезивания подземных вод или водоподготовки подземных вод.
Проблема генерации жидких и твёрдых металлсодержащих отходов актуальна во всём мире и является неотъемлемой для предприятий горнорудной и металлургической промышленности, а также других сфер, задействующих металлообработку или добычу металлсодержащих ископаемых. Однако, современный уровень развития науки и техники позволяет создавать технологии экстракции из таких отходов ценных компонентов и вовлекать их в дальнейшие производственные процессы, что минимизирует количество отходов, а значит и уровень негативного влияния на окружающую среду.
Наиболее близким аналогом, заявленного изобретения, является способ получения высокодисперсных железосодержащих порошков из техногенных отходов станций водоподготовки подземных вод, описанный в патенте RU 2755216 C1, опубл. 14.09.2021, в котором раскрывается изобретение, относящееся к химической промышленности, металлургии и охране окружающей среды, и может быть использовано для производства сталей, сплавов, магнитных порошков и жидкостей, а также катализаторов. Техногенные отходы станций водоподготовки подземных вод, такие как осадки промывных вод станций обезжелезивания, диспергируют ультразвуковым воздействием, обеспечивающим эквивалентный диаметр частиц не более 100 мкм у не менее чем 90% от их общего числа. Затем обезвоживают до относительной влажности не более 90%. Обезвоженный осадок загружают или подают поточно в реакционную камеру или реактор для восстановления содержащихся в нём соединений железа при температуре 300-900°С, используя газовую среду, состоящую не менее чем на 95% из смеси монооксида и диоксида углерода. После этого проводят сепарацию целевого продукта - соединений железа, имеющих ферромагнитные свойства, от компонентов, полученных в результате восстановительной реакции. Полученные высокодисперсные железосодержащие порошки охлаждают до температуры 90°С и менее для снижения их химической активности.
Предлагаемое устройство спроектировано с целью обеспечения создания наноразмерных и микроразмерных порошков железа и других металлов, а также их соединений, с использованием металлсодержащего сырья, в том числе имеющего вид техногенных отходов промышленных предприятий. Такие металлсодержащие порошки могут быть применены в том числе для производства сталей и сплавов в порошковой форме, магнитных порошков и жидкостей, катализаторов (в том числе) для нефтехимической промышленности, средств повышения эффективности добычи нефти и иных углеводородов, компонентов для микроэлектроники и многих других.
Техническим результатом устройства является высокая производительность высокодисперсных металлсодержащих порошков из металлсодержащих техногенных отходов при одновременной компактности и экономичности устройства.
Технический результат достигается за счёт устройства получения высокодисперсных металлсодержащих порошков из металлсодержащих техногенных отходов, состоящего из ёмкости, нагревательного блока, трубопровода с клапанами, температурных датчиков, газоперекачивающего устройства, дозирующего устройства с датчиком массового расходы, циклона из жаропрочного сплава, блока сепарации. Ёмкость выполнена с возможностью обеспечивать приём, хранение и дозирование реагентов, необходимых для создания газовой среды, имеющей восстановительный потенциал. Нагревательный блок состоит из нагревательного элемента индукционного типа и обеспечивает нагрев до заданной температуры, поддерживает заданный температурный режим с точностью не менее 10 градусов Цельсия. Температурные датчики обеспечивают наблюдение за корректным протеканием реакции, согласно заданному режиму, газоперекачивающее устройство выполнено с возможностью обеспечивать движение газовой или аэрозольной среды с заданной технологическими параметрами скоростью и направлением. Дозирующее устройство снабжено механизмом, препятствующим попаданию в реактор частиц и агломератов сырьевых компонентов с размерами, превышающими заданные технологическими параметрами. Блок сепарации выполнен с возможностью разделять целевой продукт реакции от примесей.
В устройстве получения высокодисперсных металлсодержащих порошков из металлсодержащих техногенных отходов в качестве газоперекачивающего устройства может быть использован центробежный вентилятор, турбокомпрессор или устройство, обеспечивающее расход газовой или аэрозольной среды на уровне не менее 0,4 метра кубических в минуту.
Устройство получения высокодисперсных металлсодержащих порошков из металлсодержащих техногенных отходов изображено на фигуре 1 и состоит из двух блоков:
Первый – Реакторный блок, который представляет собой:
Ёмкость 1, обеспечивающую приём, хранение и дозирование реагентов, необходимых для создания газовой среды, имеющей восстановительный потенциал, достаточный для протекания заданной технологией реакцией.
Нагревательный блок 2, который состоит из нагревательного элемента, работающего за счёт индукционного или электроконтактного или плазменного или электроразрядного или лазерного или газового воздействия и обеспечивающего нагрев до заданной температуры, поддержание заданного температурного режима с точностью не менее 10 градусов Цельсия и не вступающего в активную химическую реакцию с другими элементами конструкции (или иного другого, обеспечивающего аналогичный результат), а также температурных датчиков, обеспечивающих наблюдение за поддержанием корректного протекания реакции, согласно заданному режиму.
Газоперекачивающее устройство 3, обеспечивающее движение газовой или аэрозольной среды с заданной технологическими параметрами скоростью и направлением, а также способное бесперебойно работать в условиях повышенных температур (не менее 700 градусов Цельсия) не менее 5 часов. В качестве газоперекачивающего устройства может быть использован центробежный вентилятор, турбокомпрессор или любое другое устройство, обеспечивающее расход газовой или аэрозольной среды на уровне не мнее 0,4 метра кубических в минуту. В зависимости от конкретной технологической схемы газоперекачивающего устройства может находиться и/или непосредственно до элементов (1) и (2), после элемента (7), и/или между элементами (4) и (5), и/или между элементами (2) и (4);
Систему трубопроводов 4, которая включает клапаны обеспечивает подачу газовой или аэрозольной среды в циклон 6.
Дозирующее устройство 5 с датчиком массового расхода для контролируемой подачи сырьевых компонентов, требуемых для создания нанодисперсных и высокодисперсных металлсодержащих порошков. Дозирующее устройство 5 снабжено механизмом, препятствующим попаданию в реактор частиц и агломератов сырьевых компонентов с размерами, превышающими заданные технологическими параметрами. Механизм может регулироваться для установления точных параметров максимально допустимого размера компонентов сырьевой смеси. Размерный диапазон работы механизма – от 0,05 до 1000 мкм.
Циклон 6 из жаропрочного сплава (например - 15Х25Т или любой другой, обеспечивающей выполнение нижеописанных условий) и способный бесперебойно работать в условиях повышенных температур (не менее 700 градусов Цельсия) не менее 3000 часов.
Система трубопроводов и клапанов 7, обеспечивающая оборот газовой или аэрозольной смеси для её рекуперации или сброса излишков газовой среды.
Второй – Блок сепарации, который представляет собой:
Блок сепарации 8 обеспечивает за счёт комбинации физических методов (например – гравитационного, центробежного или магнитного воздействия), разделять целевой продукт реакции от примесей (например – непрореагировавших соединений железа и иных металлов, а также примесных материалов). Такой блок позволяет направлять примеси в отдельный резервуар или обратно в дозирующее устройство для повторной физико-химической обработки в первом Блоке, а целевой продукт – в другой резервуар или иное место хранения или постобработки.
Принцип работы устройства:
В ёмкости, содержащей сырьевые компоненты, необходимые для создания газовой среды, имеющей восстановительный потенциал (1) под влиянием нагрева от нагревательного элемента (2), создаётся нагретая до проектной температуры (не менее 350 градусов Цельсия) газовая или аэрозольная смесь, имеющая заданный технологией восстановительный потенциал. Далее, под влиянием газоперекачивающего устройства (3) через систему трубопроводов (4) полученная газовая или аэрозольная смесь попадает в дозирующее устройство (5), где создаётся аэрозольная смесь на основе ранее упомянутой газовой или аэрозольной смеси и металлсодержащего сырьевого компонента. Далее полученная смесь поступает в циклон (6), где происходит химическая реакция, в результате которой образуется целевой металлсодержащий компонент в виде микроразмерного или наноразмерного порошка. Полученный целевой компонент под действием силы тяжести (гравитации) попадает в блок сепарации (8), а прореагировавшая газовая среда попадает в систему трубопроводов (7), после чего прореагировавшая газовая среда может быть сброшена в окружающую среду (частично или полностью) или направлена на рекуперацию в ёмкость (1) (частично или полностью). Для обеспечения корректного протекания заданных химических реакций, а также предотвращения попадания значительного количества нецелевых газовых компонентов из внешней среды, рабочее давление в реакторе поддерживается на уровне не менее 106,4 кПа (1,05 атмосферы).