Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ПЫЛЕВЫХ ОТХОДОВ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ ОЧИСТКЕ ГАЗОВ РУДНО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕЧИ

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к способу переработки титановых концентратов, полученных из редкометаллического сырья в рудно-термических печах, в частности, к способу переработки пылевых отходов, образующихся при очистке газов рудно-термической печи.

Известен способ очистки газов рудно-термических печей (кн.Улавливание и утилизация пылей и газов: Учебное пособие. - Денисов С.И. - М.: Металлургия, 1991, с. 17-32), включающий процесс плавки титансодержащей руды совместно с восстановителем в рудно-термической печи, сжигание реакционных газов в шахте с установкой для дожига реакционных газов, отвод отходящих газов через установку для дожита газов и газоходы с одновременным охлаждением газов с помощью системы испарительного охлаждения, двухстадийную очистку газов от пыли и вредных примесей в циклонах и в металлотканевых фильтрах, извлечение уловленной пыли и ее дальнейшую переработку - возвращение на стадию восстановления.

Недостатком данного способа является то, что пыль, уловленная в циклонах и металлотканевых фильтрах в виде оксидов металлов, по своим свойствам является тонкодисперсной (особенно уловленная в рукавных тканевых фильтрах), основными фазами которой являются ильменит в виде брукита или рутила, кремнезем (оксид кремния) в виде аморфного, и при переработке ее в электропечах происходит повторный вынос пыли совместно с газами в циклоны, что приводит к увеличению нагрузки на систему пылеулавливания.

Известен способ очистки отходящих газов рудно-термических печей (патент РФ 2190171, опубл. 27.09.2002, бюл. №27), включающий процесс плавки титанового концентрата, двухстадийную очистку газов от пыли и вредных примесей сначала в циклонах с возвратом уловленной пыли на процесс плавки, затем в металлотканевых фильтрах с регенерацией фильтра сжатым воздухом. Пыль, полученную после очистки на металлотканевом фильтре, извлекают, и подвергают дальнейшей переработке, например, подают на стадию хлорирования титановых шлаков или перевозят на место временного хранения.

Недостатком известного способа является то, что в пыле, улавливаемой в металлотканевых фильтрах, наряду с оксидами титана и железа содержится повышенное (до 20%) количество диоксида кремния против содержания его в исходном концентрате (2-4%). Это связано с тем, что при высоких температурах (более 1600°С) в электропечи происходит карботермическое восстановление диоксида кремния концентрата углеродом шихты до летучего моноксида, затем происходит его возгонка и окисление кислородом до диоксида кремния в газовой фазе с последующим переходом в пыль. Пыль, улавливаемую в металлотканевых фильтрах, из-за высокого содержания кремнезема нецелесообразно возвращать в процесс электроплавки в рудно-термические печи или подавать на хлорирование в титановые хлораторы. Возврат пыли в электропечь приводит к ее выносу из печи, увеличению нагрузки на систему пылеулавливания, накоплению оксида кремния, что негативно сказывается на следующем по технологической линии процессе хлорирования, в частности, непроизводительные потери хлора на хлорирование кремнезема. При переработке пыли в титановых хлораторах, дополнительно к увеличению расхода хлора на хлорирование кремнезема, происходит вынос пыли совместно с газами хлоратора, пыль не успевает вступить в реакцию с хлором в хлораторе и оседает в конденсационных системах загрязняя аппаратуру и трубопроводы, что снижает производительность хлорирования, не позволяет утилизировать из пыли ценные химические элементы и увеличивает их потери.

Известен способ переработки отходов, образующихся при очистке газов рудно-термической печи (патент РФ 2491360, опубл. 27.08.2013, бюл. №24), по количеству общих признаков принятый за ближайший аналог-прототип. Известный способ включает двухстадийную очистку газов сначала в циклонах с возвратом уловленной пыли на процесс плавки, затем в металлотканевых фильтрах с получением пыли. После очистки газов осуществляют извлечение пыли из фильтров и дальнейшую переработку-пыль после извлечения из металлотканевого фильтра загружают в емкость, подают связующее, перемешивают с получением пастообразной смеси, затем смесь гранулируют с получением гранул, которые сушат и направляют на дальнейшую переработку хлорированием.

Недостатком известного способа является то, что в пыли, улавливаемой в металлотканевых фильтрах, наряду с оксидами титана и железа содержится повышенное (до 20%) количество диоксида кремния против содержания его в исходном концентрате (2-4%). Это связано с тем, что при высоких температурах (более 1600°С) в электропечи происходит карботермическое восстановление диоксида кремния концентрата углеродом шихты до летучего моноксида, затем происходит его возгонка и окисление кислородом до диоксида кремния в газовой фазе с последующим переходом диоксида кремния сначала в пыль, а после гранулирования пыли в гранулы. Повышенное (до 20%) содержание диоксида кремния (нецелевого компонента) в пыли увеличивает на 20% материальные и энергетические затраты на процесс гранулирования и сушки, снижает удельную производительность оборудования, также при этом снижается прочность гранул примерно в 2-3 раза с прочностью 50-110 г/мм² (при содержании диоксида кремния около 4 масс. %) до 30-40 г/мм². Это приводит к измельчению гранул при последующей сушке и транспортировке. При переработке измельченных гранул в титановых хлораторах происходит вынос пыли совместно с газами хлоратора, пыль не успевает вступить в реакцию с хлором в хлораторе, и оседает в конденсационных системах, загрязняя аппаратуру и трубопроводы, что снижает производительность хлорирования, не позволяет утилизировать из пыли ценные химические элементы и увеличивает их потери.

Технический результат направлен на устранение недостатков прототипа и позволяет уменьшить вынос пыли из хлоратора, уменьшить отложения солей в конденсационной системе и тем самым повысить извлечение ценных компонентов из пылевых отходов.

Технический результат достигается тем, что предложен способ переработки пылевых отходов, образующихся при очистке газов рудно-термической печи, включающий двухстадийную очистку газов сначала в циклонах с возвратом уловленной пыли на процесс плавки, затем в металлотканевых фильтрах с получением пыли, извлечение пыли из металлотканевого фильтра, гранулирование с получением гранул, сушку гранул и дальнейшую переработку хлорированием, новым является то, что пыль после извлечения из металлотканевого фильтра выщелачивают раствором гидроксида натрия при соотношении пыли к раствору гидроксида натрия, равном 1:(3-4) при нагревании и постоянном перемешивании с получением пульпы, после пульпу фильтруют с отделением обогащенного кека, затем обогащенный кек промывают водой и полученную пастообразную смесь направляют на гранулирование с получением гранул и дальнейшую переработку.

Кроме того, новым является то, что для выщелачивания применяют раствор гидроксида натрия с массовой концентрацией 150-170 г/дм³.

Кроме того, новым является то, что пыль после извлечения из металлотканевого фильтра выщелачивают при температуре 100-105°С в течение 1,7-2,3 часа.

Кроме того, новым является то, что пыль после извлечения из металлотканевого фильтра выщелачивают при постоянном механическом перемешивании.

Предложенный способ переработки пылевых отходов, образующихся при очистке газов рудно-термической печи с применением новой последовательности действий, а именно: пыль после извлечения из металлотканевого фильтра выщелачивают раствором гидроксида натрия при соотношении пыли к раствору гидроксида натрия, равном 1:(3-4) при нагревании и постоянном перемешивании с получением пульпы, после пульпу фильтруют с отделением обогащенного кека, затем обогащенный кек промывают водой и полученную пастообразную смесь направляют на гранулирование с получением гранул и дальнейшую переработку, позволяет в полученных гранулах снизить содержание кремния и тем самым получить прочные гранулы, не способные разрушиться и распылиться в процессе подачи их в хлоратор, что позволяет уменьшить вынос пыли из хлоратора, уменьшить отложения солей в конденсационной системе и тем самым повысить извлечение ценных компонентов из пылевых отходов, таких как диоксид титана, соединения ванадия и другие примеси.

Выбор соотношения при выщелачивании пыли и раствора гидроксид натрия, равном 1:(3-4) и массовой концентрации раствора гидроксида натрия от 150 до 170 г/дм³, позволяет максимально извлечь кремнезем в раствор 86,0-88,0% при остаточном содержании диоксида кремния в обогащенном кеке 2-4%, и получить однородную по составу пастообразную смесь с пониженным содержание диоксида кремния, пригодную для гранулирования с получением прочных гранул, пригодных для подачи в хлоратор, что позволяет уменьшить вынос пыли из хлоратора, уменьшить отложения солей в конденсационной системе и тем самым повысить извлечение ценных компонентов из пылевых отходов.

Подобранный в процессе опытных испытаний температурный режим и время выщелачивания пыли после извлечения из металлотканевого фильтра позволяет получить прочные гранулы, не способные разрушиться в процессе подачи их в титановый хлоратор.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе переработки пылевых отходов, образующихся при очистки газов рудно-термической печи, изложенных в пунктах формулы изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований для достижения технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

Промышленную применимость предлагаемого изобретения подтверждает следующие примеры осуществления способа.

Пример 1.

Процесс плавки титансодержащих концентратов происходит путем избирательного восстановления основной примеси - оксидов железа с получением титанового шлака, который идет на дальнейшую переработку для получения тетрахлорида титана. Температура процесса восстановления 1800±100°С. Восстановительная плавка в рудно-термических печах титансодержащего сырья - титанового концентрата - осуществляется периодически в полузакрытом режиме работы печи. После выхода на полную токовую нагрузку на электродах при расходе электроэнергии из расчета 1300 кВт/ч на тонну загруженной в печь шихты осуществляют подгрузку восстановителя в печь. И затем слив шлака и чугуна из печи. В процессе восстановительной плавки образуются колошниковые газы в количестве (объемный расход) 15000 м³/ч. Отходящие газы подвергают двухступенчатой очистке сначала в циклонах типа СЦН-40, затем в металлотканевых фильтрах типа ФМК-950. Уловленную пыль циклонов возвращают обратно в рудно-термическую печь. Затем отходящие газы поступают в секции металлотканевого фильтра типа ФМК-950. Фильтр перед началом работы предварительно прогревают до температуры 400°С. При прохождении газов через металлическую сетку карманов происходит вторичная очистка газов от пыли. Осевшая пыль на металлической сетке встряхивается предварительно осушенным сжатым воздухом. Сжатый воздух подают на фильтр под давлением 0,4-4 МПа, объемный расход сжатого воздуха в системе регенерации составляет не менее 200 м³/ч. Далее очищенный газ при помощи вентилятора ВВДН-17 через вертикальный газоход-трубу выбрасывается в атмосферу. Уловленная пыль накапливают в бункерах. Состав пыли, уловленной в металлотканевых фильтрах типа ФМК-950, следующий, масс. %: 40,8 TiO₂, 26,1 FeO, 0,02 СаО, 4,7 MgO, 19,5 SiO₂, 3,1 MnO, 2,0 Cr₂O₃, 3,1 Al₂O₃, 0,5 V₂O₅, остальное - примеси. Далее из бункеров уловленную пыль перегружают в специальные бочки, из которых - по мере накопления - направляют на выщелачивание. Для этого в емкость вместимостью 3 м³ загружают 500 кг пыли и при постоянном перемешивании с помощью рамной мешалки типа МР-110.28.150-200 постепенно заливают 1500 кг раствора гидроксида натрия с массовой концентрацией 150-170 г/дм³. Приготовление раствора гидроксида натрия осуществляют в баке, объемом 40 м³, куда из цистерны насосом НСМ 080 подают 8,5 м³ концентрированный раствор едкого натра 650-690 г/дм³ (ГОСТ Р 55064-2012 «Натр едкий технический»), полученный при производстве хлора электролизом водных растворов хлорида натрия, и по трубопроводу подают в количестве 24 м³ воду, перемешивают. В результате получают раствор гидроксида натрия с массовой концентрацией 150-170 г/дм³, который насосом ПА 100-195/52 подают в бак выщелачивания. Процесс выщелачивание пыли после извлечения из металлотканевого фильтра проводят при соотношении пыли к раствору гидроксида натрия, равном 1: 3 при нагревании и постоянном перемешивании. Выщелачивают при температуре 100°С в течение 1,7 часа. При этом идет растворение диоксида кремния и образование водного раствора силиката натрия по реакции:

который используется в строительной индустрии. Полученную пульпу фильтруют на барабанном вакуум - фильтре БОН-5 с отделением обогащенного кека. При фильтрации одновременно осуществляют промывку обогащенного кека от водорастворимых солей горячей водой при температуре 40°С. Обогащенного кека имеет следующий состав (в пересчете на сухой остаток), масс. %: 51,7 TiO₂, 32,6 FeO, 0,3 СаО, 5,9 MgO, 2,0 SiO₂, 3,9 MnO, 2,5 Cr₂O₃, 0,5 Al₂O₃, 0,6 V₂O₅. Влажность полученной пастообразной смеси 70%. Полученную пастообразную смесь направляют на гранулирование в гранулятор формования влажных паст шнекового типа ФШ-008БР с диаметром шнека 80 мм, производительностью 100-300 кг/час, мощностью привода 8,25 кВт. После полученные гранулы сушат в барабанной вращающейся печи при температуре 110°С и направляют на хлорирование в титановый хлоратор, путем их подшихтовки в титансодержащую шихту для получения тетрахлорида титана.

Пример 2.

Процесс плавки титансодержащих концентратов происходит путем избирательного восстановления основной примеси - оксидов железа с получением титанового шлака, который идет на дальнейшую переработку для получения тетрахлорида титана. Температура процесса восстановления 1800±100°С. Восстановительная плавка в рудно-термических печах титансодержащего сырья - титанового концентрата - осуществляется периодически в полузакрытом режиме работы печи. После выхода на полную токовую нагрузку на электродах при расходе электроэнергии из расчета 1300 кВт/ч на тонну загруженной в печь шихты осуществляют подгрузку восстановителя в печь. И затем слив шлака и чугуна из печи. В процессе восстановительной плавки образуются колошниковые газы в количестве (объемный расход) 15000 м³/ч. Отходящие газы подвергают двухступенчатой очистке сначала в циклонах типа СЦН-40, затем в металлотканевых фильтрах типа ФМК-950. Уловленную пыль циклонов возвращают обратно в рудно-термическую печь. Затем отходящие газы поступают в секции металлотканевого фильтра типа ФМК-950. Фильтр перед началом работы предварительно прогревают до температуры 400°С. При прохождении газов через металлическую сетку карманов происходит вторичная очистка газов от пыли. Осевшая пыль на металлической сетке встряхивается предварительно осушенным сжатым воздухом. Сжатый воздух подают на фильтр под давлением 0,4-4 МПа, объемный расход сжатого воздуха в системе регенерации составляет не менее 200 м³/ч. Далее очищенный газ при помощи вентилятора ВВДН-17 через вертикальный газоход-трубу выбрасывается в атмосферу. Уловленная пыль накапливают в бункерах. Состав пыли, уловленной в металлотканевых фильтрах типа ФМК-950, следующий, масс. %: 40,8 TiO₂, 26,1 FeO, 0,02 СаО, 4,7 MgO, 19,5 SiO₂, 3,1 MnO, 2,0 Cr₂O₃, 3,1 Al₂O₃, 0,5 V₂O₅, остальное - примеси. Далее из бункеров уловленную пыль перегружают в специальные бочки, из которых - по мере накопления - направляют на выщелачивание. Для этого в емкость вместимостью 3 м³ загружают 500 кг пыли и при постоянном перемешивании с помощью рамной мешалки типа МР-110.28.150-200 постепенно заливают 2000 кг раствора гидроксида натрия с массовой концентрацией 150-170 г/дм³. Приготовление раствора гидроксида натрия осуществляют в баке, объемом 40 м³, куда из цистерны насосом НСМ 080 подают 8,5 м³ концентрированный раствор едкого натра 650-690 г/дм³ (ГОСТ Р 55064-2012 «Натр едкий технический»), полученный при производстве хлора электролизом водных растворов хлорида натрия, и по трубопроводу подают в количестве 24 м³ воду, перемешивают. В результате получают раствор гидроксида натрия с массовой концентрацией 150-170 г/дм³, который насосом ПА 100-195/52 подают в бак выщелачивания. Процесс выщелачивание пыли после извлечения из металлотканевого фильтра проводят при соотношении пыли к раствору гидроксида натрия, равном 1: 4 при нагревании и постоянном перемешивании. Выщелачивают при температуре 105°С в течение 2,3 часа. Полученную пульпу фильтруют на барабанный вакуум- фильтр БОН-5 с отделением обогащенного кека. При фильтрации одновременно осуществляют промывку обогащенного кека от водорастворимых солей горячей водой при температуре 80°С. Обогащенного кека имеет следующий состав (в пересчете на сухой остаток), масс. %: 51,7 TiO₂, 32,6 FeO, 0,3 СаО, 5,9 MgO, 2,0 SiO₂, 3,9 MnO, 2,5 Cr₂O₃, 0,5 Al₂O₃, 0,6 V₂O₅. Влажность полученной пастообразной смеси 70%. Полученную пастообразную смесь направляют на гранулирование в гранулятор формования влажных паст шнекового типа ФШ-008БР с диаметром шнека 80 мм, производительностью 100-300 кг/час, мощностью привода 8,25 кВт. Полученные гранулы сушат в барабанной вращающейся печи при температуре 110°С и направляют на хлорирование в титановый хлоратор, путем их подшихтовки в титансодержащую шихту для получения тетрахлорида титана.

Таким образом, предложенный способ переработки пылевых отходов, образующихся при очистке газов рудно-термической печи, позволяет уменьшить вынос пыли из хлоратора, уменьшить отложения солей в конденсационной системе и тем самым повысить извлечение ценных компонентов из пылевых отходов.