Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ШЛАМОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

Изобретение относится к области промышленной экологии, а именно к технологиям переработки и рециклинга железосодержащих шламовых отходов, содержащих повышенные концентрации тяжелых металлов (цинк, свинец и др.), металлургического и других производств гидрометаллургическим методом с использованием высокоинтенсивных кавитационных воздействий с получением коммерчески рентабельных продуктов.

Интерес к выбранной тематике исследования вызван отсутствием в настоящее время на рынке эффективных промышленных технологий по переработке шламовых и зольных отходов электрометаллургического и доменного производства. По предварительным данным на территории Российской Федерации накоплено около 2 млрд тонн отвалов, и с каждым годом их количество увеличивается на десятки млн тонн. При существующих условиях складирования отходов в золошламохранилищах наблюдается постоянное увеличение давления на экологию прилегающих территорий.

Из области техники известны методы переработки шламов металлургических производств.

Авторы патента RU 2091341 разработали технологическую линию процесса переработки цинксодержащего сырья пирометаллургическим методом, позволяющую реализовать безотходную схему переработки повышенной эффективности. В технологии используется добавка в виде кремнеземсодержащих и щелочносодержащих компонент определенного количества, а технологическая линия включает участок подготовки сырья и печь с системой удаления жидкого шлака.

Исследователи из Уральского отделения Российской Академии Наук предлагают усовершенствование пирометаллургической переработки цинксодержащих шламов аглодоменного производства (RU 2280087). Преимуществом технологии является получение на выходе металлического цинка и железа, а также увеличение скорости процесса. Технический результат достигается путем использования вращающейся с определенной скоростью, а также находящейся под оптимальным углом трубчатой печи.

К недостаткам пирометаллургического способа переработки цинксодержащих отходов следует отнести следующее: повторное образование настылей в термических печах при возгоне цинка, большие капитальные затраты на энергоносители, необходимые для проведения пирометаллургического процесса. При высоких технологических температурах возрастает производительность процесса, однако он становится экологически вредным.

Эти недостатки могут быть разрешены путем использования гидрометаллургической обработки отходов.

Авторы патентов RU 2265068 и RU 2339708 предлагают использовать процесс гидрометаллургической обработки металлсодержащего сырья разбавленной кислотой в присутствии ионов Fe³⁺ с использованием активного кислорода для повышения окислительного потенциала и ультразвука для интенсификации процесса. Данные патенты отличаются природой обрабатываемого материала и значениями оптимальных параметров обработки. Данная разработка позволяет эффективно извлекать полезные металлы только из сульфидных руд, что, конечно же, ограничивает применение этого метода.

Наиболее близким к предлагаемому в данной НИР способом переработки шламов по совокупности признаков и назначению, который можно принять за прототип, является разработка, предложенная авторами патента RU 2340403. В разработке предлагается использовать на стадии деградации исходного сырья ротационно-пульсационно-кавитационный аппарат непрерывного действия (РПКАНД). Данный аппарат обеспечивает воздействие на пульпу гидродинамических пульсаций, акустических волн, резонанса, а также кавитации, в результате чего возможно протекание таких процессов, как гидратация, изменение фазового и гранулометрического составов смеси, а также морфологии частиц.

Недостатком технологии является использование устройства гидродинамического типа, который несет в себе ряд существенных недостатков: ограниченность времени пребывания обрабатываемой суспензии в рабочей зоне ввиду большой скорости потока; недостаточность амплитуды колебаний кавитационных пузырьков в связи с малой интенсивностью акустических колебаний (менее 0,3·10⁴ Вт/м²); засорение сопла суспензией и эрозия зубцов ротора [Применение акустических колебаний в химико-технологических процессах. / Новицкий Б.Г. - Москва: Химия, 1983. - 192 с.]. В ходе обработки пульпы на РПКАНД происходит изменение гранулометрического состава твердых частиц суспензии. Разделение на компоненты, обогащенные железом и цинком, происходит после обработки в комбинированной флотомашине.

Техническим результатом данного изобретения является повышение эффективности и рентабельности переработки шламовых отходов промышленных производств за счет использования высокоинтенсивной кавитационной обработки суспензии.

Технический результат достигается благодаря обработке циркулирующей суспензии шламовых отходов в ультразвуковом поле мощностью не менее 800 Вт, создаваемом с использованием пьезокерамического генератора при объемной плотности вводимой энергии в пределах от 180 Дж/см³ до 200 Дж/см³, гидростатическом давлении обрабатываемой суспензии в пределах от 2,0 атм до 2,5 атм и температуре в пределах от 25°C до 29°C. Цинкосодержащие пыли и шламы поступают в контур циркуляции суспензии, в котором происходит обработка шламов в ультразвуковом поле при соблюдении вышеуказанных давлении и температуры до достижения заданных значений вводимой энергии ультразвука. В ходе обработки пульпы в высокоинтенсивном ультразвуковом поле происходит выщелачивание тяжелых металлов за счет эффекта кавитации, возникающего в результате схлопывания пузырьков газа под действием давления звуковой волны. Частицы, оказавшиеся в поле ударной волны, возникшей в результате схлопывания, развивают высокие скорости за счет реактивной силы и после сталкивания с другими частицами и со стенками реактора разрушаются. Полученную смесь разделяют на твердую железосодержащую и жидкую цинксодержащую фазы, которые направляют на дальнейшую переработку.

Способ обработки шламовых отходов заключается в следующем.

Пример.

Условия эксперимента: дистиллированная вода, пульпа шлама доменного цеха, температура - 25°C, уровень вводимой мощности ультразвука - 800 Вт.

Заданные параметры эксперимента приведены в Табл. 1.

Обозначение E_v в Табл.1 обозначает удельную вводимую энергию, которая вычисляется по следующей формуле:

После обработки кеки шлама был определен элементный состав образцов. Результаты элементного анализа приведены в Табл. 2

Из полученных результатов была вычислена макимальная степень выщелачивания цинка, которая составила ~30%. Зависимость степени выщелачивания экстремальная, т.е. сначала преобладает протекающий процесс выщелачивания цинка в раствор, а затем - сонохимического осаждения цинка из раствора. Оптимальными параметрами обработки являются: объемная плотность вводимой энергии - 192 Дж/см³; гидростатическое давление - 2,0-2,5 атм; температура обрабатываемой среды - 25-29°C.

Таким образом, обработка пульпы шлама газоочистки доменных печей высокоэнергетической ультразвуковой кавитацией под давлением позволяет без введения дополнительных выщелачивающих реагентов проводить удаление цинка из шлама со степенью выщелачивания около 30% при комнатной температуре. При этом заметного выщелачивания железа в раствор не происходит, т.к. содержание железа в шламе относительно общего количества цинка остается практически неизменным.