Способ утилизации отработавших источников тока, содержащих цинк и марганец
METHOD OF UTILIZING SPENT CURRENT SOURCES CONTAINING ZINC AND MANGANESE

Область техники
Изобретение относится к способам комплексной утилизации техногенного сырья, а именно отработанных химических источников тока марганцево-цинковой системы.
Уровень техники
Известен способ переработки кусковых отходов твердых сплавов цинковым методом (заявка на получение патента РФ №96103295, дата публикации 27.02.1998). Способ переработки кусковых отходов твердых сплавов цинковым методом осуществляют посредством компрессионно-вакуумного реактора. Способ включает нагрев в графитовой емкости для загрузки кусковых отходов с кусками цинка. Расплавление цинка. Дельнейшее охлаждение в конденсаторе для конденсации цинка после перехода в его расплав металла-связки. Зона нагрева и охлаждения расположены на одном уровне. Графитовая емкость представляет собой пакет из кольцеобразных тарелей, соосно расположенных одна над другой, через которые до начала и в конце процесса свободно проходит полая водоохлаждаемая штанга-конденсатор.
Недостатком известного способа является отсутствие возможности переработки отработавших источников тока.
Наиболее близким (прототипом) является способ утилизации отработанных химических источников тока (ХИТ) марганцевоцинковой системы с извлечением составляющих ХИТ в отдельные товарные продукты (патент РФ №2164955, дата публикации 10.04.2001 г). Способ включает измельчение исходных материалов. Обжиг измельченного сырья. Магнитную сепарацию. Кислотное выщелачивание и бездиафрагменный электролиз с алюминиевым катодом и свинцовым анодом. В магнитном сепараторе производят извлечение железного скрапа. Обожженный материал классифицируют с отделением металлического цинка. Отмытый огарок выщелачивают оборотным электролитом при рН не более 3, температуре 30-60°С с отделением твердого осадка оксидов марганца. Оставшийся раствор, содержащий сульфаты марганца и цинка, подвергают электролизу в бездиафрагменном электролизере с алюминиевым катодом и свинцовым анодом производят электролиз с осаждением металлического цинка на катоде, электролитического диоксида марганца на аноде.
Недостатком прототипа является сложность процесса.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение арсенала средств данного назначения.
Поставленный технический результат достигается за счет того, что в способе утилизации отработавших источников тока, содержащих цинк и марганец, характеризующемся тем, что осуществляют дробление отработавших источников тока на куски, нагревают полученные куски с одновременным их перемешиванием в роторной наклонной печи с обеспечением достижения температуры в интервале 950-1200°С с образованием из кусков жидкой фазы, твердой фазы и газовой фазы, отделяют газовую фазу от твердой фазы и жидкой фазы, охлаждают отделенную газовую фазу с обеспечением конденсации цинка из газовой фазы, нагревают твердую фазу и жидкую фазу до интервала температур 1200-1400°С с обеспечением восстановления марганца, содержащегося в жидкой фазе и твердой фазе, и дальнейшим образованием газовой фазы, продолжают отделение газовой фазы от твердой фазы, жидкой фазы и марганца, продолжают охлаждение отделенной газовой фазы с обеспечением конденсации цинка из газовой фазы, охлаждают полученный марганец.
Краткое описание чертежей
Реализация изобретения поясняется чертежом, где схематично показан вид устройства утилизации отработавших источников тока (далее по тексту именуемого устройство), применяемой для данного изобретения.
На чертеже обозначены: первый привод 1, загрузочный бункер 2, загрузочный шнек 3, фланец 4, первый соединительный элемент 5, вращающаяся камера 6, отражающий экран 7, камера нагрева 8, второй соединительный элемент 9, футеровка 10, распределительная камера 11, труба отвода газовой фазы 12, конденсатор 13, разгрузочный шнек 14, камера охлаждения 15, третий привод 16, камера восстановления 17, нагревательный элемент 18, рама 19, второй привод 20.
Раскрытие изобретения
Способ утилизации отработавших источников тока может быть осуществлен посредством устройства для утилизации отработавших источников тока. Для раскрытия способа далее приведено описание устройств и оборудования, применяемых для реализации данного способа.
Основными элементами устройства являются загрузочный бункер 2 с загрузочным шнеком 3, роторная наклонная печь (вращающаяся камера 6 с камерой нагрева 8), камера восстановления 17 с нагревательными элементами 18, труба отвода газовой фазы 12 с конденсатором 13 и камера охлаждения 15 с разгрузочным шнеком 14.
Загрузочный бункер 2 представляет собой емкость для загрузки в устройство дробленных отработавших источников тока (дробленных батареек). В загрузочном бункере 2 выполнено загрузочное отверстие, в частном случае расположенное сверху. Загрузочный бункер 2 снабжен средством для крепления герметизирующих приспособлений, в частном случае фланцем 4 по периметру загрузочного отверстия.
Загрузочный шнек 3 представляет собой винтовой конвейер с рабочим органом в виде вала с винтообразными выступами, расположенного в трубе. Загрузочный шнек 3 частично расположен в нижней части загрузочного бункера 2 с обеспечением возможности захвата его содержимого (дробленных отработавших источников тока) и перемещения их из загрузочного бункера 2 на дальнейшую переработку во вращающуюся камеру 6. Загрузочный шнек 3 соединен с соответствующим (первым) приводом 1.
Привод представляет собой совокупность устройств, предназначенную для приведения в действие машин и механизмов, в частном случае загрузочного шнека 3, вращающейся камеры 6 и разгрузочного шнека 14. В устройстве может быть использован единый привод со средствами передачи энергии и приведения в движение каждого необходимого механизма. В частном случае в устройстве могут быть использованы несколько приводов, каждый из которых обеспечивает движение соответствующей составной части устройства, в частности первый привод 1, второй привод 20 и третий привод 16.
Первый привод 1 выполнен и установлен с обеспечением возможности генерации и передачи вращательно движения загрузочному шнеку 3. Первый привод 1 соединен с загрузочным шнеком 3 через сальник или любой другой уплотнительный элемент, обеспечивающий герметизацию загрузочного шнека 3.
Роторная наклонная печь представляет собой барабан, расположенный в горизонтальном положении и установленный с возможностью его наклона к горизонту. При этом указанный барабан снабжен приводом для приведения его во вращательное движение и горелочным устройством (https://promplace.ru/rotornaya-pech-645.htm, дата обращения 27.12.2019 г.). В частном случае роторная наклонная печь может быть выполнена состоящей из вращающейся камеры 6 со вторым приводом и камеры нагрева 8.
Вращающаяся камера 6 выполнена в виде трубы. Вращающаяся камера 6 может быть выполнена из кварцевой или муллитовой трубы. Конец вращающейся камеры 6 соединен с концом загрузочного шнека 3, противоположным части, расположенной в загрузочном бункере 2. Конец вращающейся камеры 6, противоположный загрузочному шнеку 3, установлен в распределительной камере 11. Вращающаяся камера 6 соединена со вторым приводом 20.
Второй привод 20 выполнен с обеспечением возможности генерации и передачи вращательного движения на вращающуюся камеру 6. В качестве второго привода 20 может быть использован электрический редуктор с ременной передачей.
Первый соединительный элемент 5 установлен в месте соединения загрузочного шнека 3 с вращающейся камерой 6. Первый соединительный элемент 5 выполнен с обеспечением возможности герметизации места соединения загрузочного шнека 3 и вращающейся камеры 6 без препятствия для их вращения.
Отражающий экран 7 представляет собой средство для отражения лучистого излучения. Отражающих экранов 7 в устройстве может быть использовано несколько. Отражающие экраны 7 установлены между загрузочным шнеком 3 и камерой нагрева 8.
Камера нагрева 8 представляет собой емкость, выполненную с обеспечением возможности поддержания в ней температуры 950-1200°С. Размеры камеры нагрева 8 выполнены с обеспечением возможности размещения в ней части вращающейся камеры 6. Камера нагрева 8, в частном случае, может быть выполнена электрической.
Распределительная камера 11 представляет собой емкость, выполненную с обеспечением возможности распределения продуктов, полученных во вращающейся камере 6 после прохождения камеры нагрева 8. Часть вращающейся камеры 6, противоположная ее соединению с загрузочным шнеком 3, расположена в распределительной камере 11 с обеспечением вывода в нее содержимого вращающейся камеры 6 после камеры нагрева 8. Распределительная камера 11 в верхней части соединена с одним из концов трубы отвода газовой фазы 12.
Труба отвода газовой фазы 12 представляет собой трубу, установленную одним концом в распределительной камере 11, с обеспечением возможности улавливания газовой фазы (паров), образовавшихся в результате нагрева во вращающейся камере 6 под действием температур камеры нагрева 8. В частном случае труба отвода газовой фазы 12 предназначена для отведения газовой фазы цинка, воды и других газов. Другой конец трубы отвода газовой фазы 12 присоединен к конденсатору 13.
Конденсатор 13 представляет собой устройство для охлаждения (конденсации) газовой фазы и перевода их в жидкое состояние. В частном случае конденсатор 13 выполнен с обеспечением возможности конденсации газовой фазы цинка. При этом температура конденсатора 13 выбрана примерно 450°С, для удобства слива цинка в жидком состоянии.
Второй соединительный элемент 9 установлен в месте соединения вращающейся камеры 6 с распределительной камерой 11. Второй соединительный элемент 9 выполнен с обеспечением возможности герметизации места соединения вращающейся камеры 6 и распределительной камеры 11 без препятствия для вращения вращающейся камеры 6.
Камера восстановления 17 представляет собой вертикальную трубу, установленную верхним концом в распределительной камере 11. Причем, конец камеры восстановления 17 установлен с обеспечением возможности падения в нее твердых продуктов из вращающейся камеры 6 под действием силы тяжести. При этом камера восстановления 17 выполнена с обеспечением возможности поднятия испаряющихся паров из камеры восстановления 17 в распределительную камеру 11. В качестве камеры восстановления 17 может быть использована кварцевая или керамическая труба. Камера восстановления 17 может быть выполнена в одном корпусе с распределительной камерой 11, заполненном футеровкой 10.
Футеровка 10 представляет собой специальную отделку для обеспечения защиты поверхностей от возможных механических, физических или химических повреждений. В частном случае футеровка 10 может быть выполнена из легковесного кирпича. В футеровке 10 вокруг камеры восстановления 17 установлены нагревательные элементы 18.
Нагревательный элемент 18 представляет собой электронагреватель, в частном случае дисилицид молибденовый. Нагревательные элементы 18 расположены с обеспечением возможности нагрева камеры восстановления 17. В частном случае в устройстве использовано два нагревательных элемента 18. Нагревательные элементы 18 выполнены с обеспечением возможности поддержания температуры от 1200 до 1400°С. Камера восстановления 17 может быть снабжена заслонкой в нижней части. Заслонка представляет собой средство перекрытия нижней части камеры восстановления 17, выполненную с обеспечением возможности открытия камеры восстановления 17 при необходимости. Заслонка установлена между камерой восстановления 17 и камерой охлаждения 15. Заслонка выполнена с обеспечением пребывания материалов в камере восстановления 17 до необходимой степени прогрева и полного восстановления марганца.
Камера охлаждения 15 представляет собой трубу, с хладагентами, выполненную с обеспечением возможности понижения температуры содержимого камеры охлаждения 15. Камера охлаждения 15 установлена в нижней части камеры восстановления 17 и соединена с ней с обеспечением возможности попадания содержимого камеры восстановления 17 в камеру охлаждения 15 под действием силы тяжести. Камера охлаждения 15 может быть выполнена заодно с камерой восстановления 17 в виде единой трубы, разделенной на зону нагрева (камеру восстановления 17) и зону охлаждения (камеру охлаждения 15) посредством заслонки. В нижней части камеры охлаждения 15 установлен разгрузочный шнек 14.
Разгрузочный шнек 14 представляет собой винтовой конвейер с рабочим органом в виде вала с винтообразными выступами, расположенного в трубе. Разгрузочный шнек 14 частично расположен в нижней части камеры охлаждения 15 с обеспечением возможности захвата ее содержимого (восстановленного в камере восстановления 17 марганца) и его выгрузки из камеры охлаждения 15. Разгрузочный шнек 14 соединен с третьим приводом 16.
Третий привод 16 выполнен и установлен с обеспечением возможности генерации и передачи вращательно движения разгрузочному шнеку 14. Третий привод 16 соединен с разгрузочным шнеком 14 через сальник или любой другой уплотнительный элемент.
Рама 19 представляет собой несущую конструкцию устройства, выполненную с обеспечением возможности удержания взаимного положения основных элементов устройства. На раме 19 установлены загрузочный бункер 2 с загрузочным шнеком 3, вращающаяся камера 6, камера нагрева 8, распределительная камера 11, труба отвода газовой фазы 12, конденсатор 13, разгрузочный шнек 14, камера охлаждения 15 и камера восстановления 17. Рама 19 выполнена с обеспечением возможности изменения угла наклона устройства к горизонту. В частном случае рама 19 установлена таким образом, чтобы устройство в целом или, по крайней мере, вращающаяся камера 6 располагалась под углом к горизонту 3-5 градусов. При этом наклон выполнен в сторону разгрузки конечных продуктов.
Осуществление изобретения
Изобретение реализуется следующим образом. Изготавливают загрузочный бункер 2, загрузочный шнек 3, вращающуюся камеру 6, камеру нагрева 8, трубу отвода газовой фазы 12, конденсатор 13, распределительную камеру 11, камеру восстановления 17, камеру охлаждения 15, разгрузочный шнек 14, раму, нагревательные элементы 18, первый соединительный элемент 5, второй соединительный элемент 9, первый привод 1, второй привод 20 и третий привод 16.
Все элементы устройства устанавливают и закрепляют на раме 19. При этом загрузочный шнек 3 устанавливают в нижней части загрузочного бункера 2. Один конец загрузочного шнека 3 соединяют с первым приводом 1. Вращающуюся камеру 6 средней частью располагают в камере нагрева 8. Устанавливают отражающие экраны между загрузочным шнеком 3 и камерой нагрева 8. Другой конец загрузочного шнек 3 соединяют с вращающейся камерой 6 посредством первого соединительного элемента 5. К вращающейся камере 6 вблизи загрузочного шнека 3 подсоединяют второй привод 20, например, посредством ременной передачи. Устанавливают камеру охлаждения 15. Внутри камеры охлаждения 15 размещают разгрузочный шнек 14 и подсоединяют его к третьему приводу 16. Над камерой охлаждения 15 устанавливают камеру восстановления 17 с нагревательными элементами 18. Укладывают легковесный кирпич с образованием футеровки 10 вокруг камеры восстановления 17 с образованием над камерой восстановления 10 распределительной камеры 11. Конец вращающейся камеры 6, противоположный соединению с загрузочным шнеком 3 помещают в распределительную камеру 11. Производят их соединение посредством второго соединительного элемента 9. Трубу отвода газовой фазы 12 устанавливают одним концом в распределительную камеру 11, а противоположный подсоединяют к конденсатору 13.
Способ утилизации отработавших источников тока, содержащих цинк и марганец
Осуществляют дробление отработавших источников тока на куски. Для этого отработавшие источники тока загружают в дробилку, где происходит их разрушение (дробление). В частном после дробления может быть проведено деление на фракции, посредством вибросита. Далее производят магнитную сепарацию крупной фракции с отделением крупных частиц металла. Мелкая фракция, прошедшая через сито, а также остатки магнитной сепарации отправляют на дальнейшую переработку посредством данного устройства утилизации отработавших источников тока.
Далее нагревают полученные куски с одновременным их перемешиванием в роторной наклонной печи с обеспечением достижения температуры в интервале 950-1200°С с образованием из кусков жидкой фазы, твердой фазы и газовой фазы. Дробленные источники тока (куски) загружают в загрузочный бункер 2. Закрывают загрузочное отверстие. Дробленные источники тока попадают под действием силы тяжести на загрузочный шнек 3. Загрузочный шнек 3 под действием первого привода 1, вращающего загрузочный шнек 3, продвигает дробленные батарейки во вращающуюся камеру 6. При попадании во вращающуюся камеру 6 дробленные батарейки перемещаются по ней под действием вращения от второго привода 20, а также под действием силы тяжести, связанной с наклоном вращающейся камеры 6. При продвижении по вращающейся камере 6 источники тока попадают в часть, расположенную в камере нагрева 8. В камере нагрева 8 производится постоянное поддержание температуры 950-1200°С. Через стенки вращающейся камеры 6 происходит, нагрев дробленных источников тока. Под действием высоких температур происходит испарение газовой фазы, частичное восстановление марганца из оксида до металла с образованием жидкой фазы и твердой фазы. За счет перемешивания под действием вращения происходит более равномерный нагрев дробленных батареек. При этом за счет установки первого соединительного элемента 5 и второго соединительного элемента 9 обеспечивают герметизацию вращающейся камеры 6, что предотвращает выход наружу устройства вредных компонентов, например, паров цинка.
После равномерного прогрева отделяют газовую фазу от твердой фазы и жидкой фазы. Оставшиеся куски, а также частично восстановленные химические элементы попадают в распределительную камеру 11. Твердая фаза и жидкая фаза под действием силы тяжести падают в камеру восстановления 17. Газовая фаза (пары цинка, воды и другие пары и газы поднимаются вверх и попадают в трубу отвода паров 12.
По трубе отвода газовой фазы 12 газовую фазу направляют на охлаждение с обеспечением конденсации цинка из газовой фазы. В конденсаторе 13 пары цинка конденсируются в жидкий цинк. Температура выбрана с обеспечением конденсации цинка без переходя его в твердое состояние. В частном случае конденсацию производят при температуре 450°С. Далее жидкий цинк собирают в конечную емкость и отправляют для дальнейшей переработки.
Нагревают твердую фазу и жидкую фазу до интервала температур 1200-1400°С с обеспечением восстановления марганца, содержащегося в жидкой фазе и твердой фазе, и дальнейшим образованием газовой фазы. При этом то, что не испарилось, ссыпается в камеру восстановления 17. Твердая фаза и жидкая фаза, попавшие в камеру восстановления 17, нагреваются под действием нагревательных элементов 18 до 1200-1400°С. Марганец восстанавливается благодаря присутствию порошкового графита.
При этом остатки цинка испаряются и поднимаются в распределительную камеру 11. Таким образом продолжается отделение газовой фазы от твердой фазы, жидкой фазы и марганца. Далее газовую фазу, испарившуюся в камере восстановления 17 и попавшую в распределительную камеру 11 отправляют по трубе отвода газовой фазы 12 на охлаждение отделенной газовой фазы в конденсаторе 13 с обеспечением конденсации цинка из газовой фазы. При этом в случае необходимости очистки других компонентов газовой фазы после конденсатора устанавливают очистные сооружения. Таким образом вследствие использования данного способа утилизации отработавших источников тока снижают экологическую нагрузку на окружающую среду по сравнению с прототипом. Это связано с отсутствием необходимости использования дополнительных химических веществ, в частности для кислотного выщелачивания.
Охлаждают полученный марганец. После открытия заслонки восстановленный марганец падает в камеру охлаждения 15, где он охлаждается и выводится разгрузочным шнеком 14 под действием третьего привода 16 из устройства.
Использование указанного способа значительно упрощает процесс утилизации отработавших источников тока, вследствие отсутствия необходимости в дополнительном оборудовании (ванны для кислотного выщелачивания, электролизер и т.п.).
Таким образом, выполнение устройства описанным выше образом обеспечивает расширение арсенала средств для утилизации отработавших источников тока.