Способ извлечения металлов при газификации твердого топлива в политопливном газогенераторе

Изобретение относится к области энергетики и химической промышленности при комплексной переработке углеродсодержащих материалов, таких как угли, торф, горючие сланцы, а также углеродсодержащие техногенные материалы, такие как отходы углеобогащения, отходы деревообработки, твердые коммунальные отходы. Изобретение может также найти применение в черной металлургии и предназначено для получения углеродсодержащих металлов из природных (руды, концентраты и другое промышленное сырье) и техногенных (пыли, шламы, шлаки, окалина и другие отходы) оксидов металлов.

Многие виды углей, а также другие виды твердого топлива содержат заметные количества цветных, редких и драгоценных металлов (Я.Э. Юдович, М.П. Кетрис. Токсичные элементы-примеси в ископаемых углях. Екатеринбург: УрОРАН, 2005. - 596 с.). При традиционном сжигании/газификации углей практически все эти металлы теряются с золой либо переходят в тонкие фракции пыли и безвозвратно теряются. В газогенераторах барботажного типа эти потери металлов можно предотвратить.

Известен способ получения генераторных газов из углей в печи барботажного типа РОМЕЛТ (Газификация угля в шлаковом расплаве / А.В. Баласанов, В.Е. Лехерзак, В.А. Роменец, А.Б. Усачев; под ред. А.Б. Усачева. - М.: «Институт Стальпроект», 2008. - 288 с.). В газификаторах типа РОМЕЛТ твердое топливо загружается в шлаковую ванну, барботируемую кислородсодержащим дутьем. Частицы твердого топлива замешиваются в шлаке, в котором протекают процессы испарения и конверсии паров воды, выделения летучих, газификации коксового остатка. Отходящие из печи генераторные газы содержат менее 10% CO₂ и H₂O. В газогенераторе РОМЕЛТ возможна комплексная переработка твердого топлива с частичным извлечением ряда черных и цветных металлов в металлическую фазу, образованную на базе углеродистого расплава железа (Процесс Ромелт / Под ред. В.А. Роменца. - М.: ИД. «Руда и Металлы», 2005. - 400 с.). К недостаткам газогенераторов на базе печей РОМЕЛТ относятся следующие: значительный (до 5% и выше) вынос твердого топлива с отходящими газами, неполное извлечение ряда цветных и черных металлов, значительные потери черных и цветных металлов с отвальным шлаком. Так максимальное извлечение ванадия в чугун в печи РОМЕЛТ не превышает 70-75%, марганца - 55-65%, хрома - менее 60%.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ металлургической многоцелевой газификации твердого топлива, патент РФ 2422538. Изобретение относится к области прямого получения железа и к металлургической газификации твердого топлива и может применяться в металлургии, энергетике для уничтожения отходов и в других отраслях промышленности. Данное изобретение может использоваться для получения из твердого топлива горючего газа, который используется для получения тепла, пара или электроэнергии путем сжигания его в энергетическом котле или в газовой турбине; кроме того, получаемый газ может использоваться как технологическое топливо в различных производствах; вместе с газификацией твердого топлива можно производить различные металлические сплавы - на основе железа, меди, никеля и других металлов; также при реализации изобретения можно получать возгоны некоторых полезных элементов - цинка, германия, фосфора и других; оксидные конденсированные продукты газификации могут использоваться для производства строительных материалов; можно вместе с газификацией перерабатывать различные виды бытовых и промышленных отходов. Многоцелевой характер способа определяется разнообразием путей его возможного применения.

В способе по патенту РФ 2422538 возможно частичное извлечение черных и цветных металлов в металлическую фазу. Однако степени их извлечения будут не выше, чем в процессе РОМЕЛТ. Другим существенным недостатком рассматриваемого способа является значительный пылеунос мелких фракций твердого топлива.

Указанные недостатки можно устранить, применив предлагаемый способ извлечения металлов при газификации твердого топлива в политопливном газогенераторе.

Способ извлечения металлов при газификации твердого топлива в политопливном газогенераторе барботажного типа включает подачу твердого топлива в ванну оксидного расплава, подачу в ванну сбоку газообразного окислителя струями, отвод конденсированных реакционных продуктов в жидком виде, отвод и охлаждение газообразных реакционных продуктов, Твердое топливо подают в оксидный расплав в виде брикетов, содержащих твердое топливо и железосодержащий материал, в качестве которого используют гематитовую руду, при этом железосодержащий материал вводят в количестве, обеспечивающем весовое отношение количества вводимого и присутствующего в золе твердого топлива железа к суммарному количеству основных шлакообразующих оксидов кремния, алюминия, титана, кальция и магния, присутствующих в золе твердого топлива, связующем и железосодержащем материале, в пределах 0,10-0,75.

В качестве железосодержащих материалов используют оксиды кремния, алюминия, титана, кальция и магния.

Предлагается перед подачей твердого топлива на газификацию брикетировать топливо. Для извлечения ряда цветных и черных металлов, таких как железо, медь, никель, кобальт, ванадий хром, марганец, и некоторых других металлов в товарные продукты в шихту для брикетирования добавляются специальные железосодержащие добавки. В качестве добавок могут использоваться техногенные отходы, такие как шламы и пыли производства черных металлов, отходы цветной металлургии: шлаки медного и никелевого производства, красные шламы.

При загрузке таких комбинированных брикетов в шлаковую ванну, имеющую температуру 1400-1600°C, происходят процессы восстановления и науглероживания железа. Восстановленное науглероженное железо является активным восстановителем более трудно восстановимых металлов, таких как марганец, хром, ванадий и т.д. Образующиеся капли углеродистого металла по отношению к перечисленным металлам растворяют их и переводит в легированный железоуглеродистый сплав. Сплав периодически выпускается из газогенератора и в зависимости от содержания цветных и черных металлов используется как легированный чугун либо подвергается дополнительному рафинированию с селективным извлечением цветных и черных металлов в товарные продукты. Использование данного изобретения позволит повысить полноту переработки твердого топлива с максимально полным извлечением примесных цветных и черных металлов в товарные продукты.

Пример.

В качестве твердого топлива использовали газовый уголь марки «Г». Технический состав угля: зола - 10%, летучие - 49%, влага - 10%, сера - 0,8%. В брикеты добавляли железную гематитовую руду с содержанием железа 65%. В качестве флюса и связующего использовали известь. Объем дутья на барботажных фурмах - 4000 нм³/час. Для моделирования поведения марганца, хрома, ванадия вместе с железной рудой в брикеты вводили концентраты этих металлов в количестве до 0,15 отвесы железной руды. Содержание кислорода в дутье - 58%. Температура шлаковой ванны - 1450-1500°C. Результаты экспериментов приведены в табл. 1.

Из приведенных в таблице данных видно, что во всем диапазоне отношения Fe/(SiO₂+Al₂O₃+TiO₂+CaO+MgO) химический состав генераторного газа меняется слабо. По мере увеличения этого отношения незначительно растет доля углекислого газа и паров воды. Оптимальным диапазоном отношения Fe/(SiO₂+Al₂O₃+TiO₂+CaO+MgO) является интервал 0,10-0,75. Введение в брикеты 0,05, то есть менее заявляемого предела, железа от суммы оксидов не приводит к полному извлечению металлов в сплав. Это связано с незначительным количеством металлических капель, а также с наличием остаточного содержания мельчайших капель сплава в шлаке. Превышение отношения Fe/(SiO₂+Al₂O₃+TiO₂+CaO+MgO) величины 0,75 приводит к снижению прочности брикетов, связанному с бурным выделением газов в процессе восстановления оксидов. Это сопровождается значительным увеличением выноса пыли (до 1,1% от загружаемого материала) и снижением степени извлечения черных и цветных металлов в сплав.