Плазмохимический реактор для обработки минеральных руд

Плазмохимический реактор для обработки минеральных руд

Реферат

Изобретение относится к устройству плазмохимического реактора, предназначенного для высокотемпературной обработки минеральных руд перед флотацией, и может быть использовано в аппаратурном оформлении процессов восстановления из окислов металлов (молибдена, свинца, олова) чистых металлов и освобождения сульфидных минералов от серы.

В патенте RU №2247154 (МПК⁷ С21В 13/02, опубл. 27.02.2005) описан реактор, снабженный устройством для загрузки материала под действием силы тяжести. В верхней части данного реактора расположена зона реакции, в которой происходит реакция восстановления. Реактор содержит также средства для ввода загружаемого материала через горловину реактора, средства для ввода потока газа, средство для выпуска восстановленного материала из нижней части реактора и средство для выпуска отходящих газов. Реактор включает верхнюю зону нагрева, предварительного восстановления и окончательного восстановления, имеющую конусное расхождение вниз, и вторую, нижнюю зону карбонизации и охлаждения, имеющую конусное схождение вниз.

Технический результат заключается в повышении эффективности процесса, осуществляемого в реакторе.

Общим с предлагаемой конструкцией реактора является корпус, средства для ввода загружаемого материала, средства для ввода потока газа, средство для выпуска восстановленного материала.

Конструкция данного реактора не позволяет обеспечить эффективное разделение газа и твердого материала непосредственно в корпусе реактора.

Из патента RU №2138929 (МПК⁶ H05H 1/24, Н05В 7/16, опубл. 27.09.1999) известен плазмохимический реактор, который содержит плазмотрон, форсунки для диспергирования раствора, реакционную камеру и подсоединенный к ее нижнему торцу патрубок вывода пылепарогазовой смеси. Патрубок размещен под углом 130-140°С к реакционной камере. Переход от реакционной камеры к патрубку вывода пылепарогазовой смеси выполнен в виде колена, а после колена установлена емкость для сбора некондиционного порошка.

Реализация данного плазмохимического реактора позволяет увеличить производительность в 10 раз, уменьшить количество некондиционного порошка с 25-30 до 0,1-0,3%, увеличить межостановочный пробег с 0,5-1,0 суток до 10 суток и более.

Общим с предлагаемой конструкцией реактора является корпус, устройство генерации плазмы (плазмотрон), средство (форсунки) для подачи раствора, устройство вывода продукта.

Недостаток аналогичен предыдущему аналогу.

В патенте SU №904223 (МПК⁶ B01J 1/08, опубл. 20.07.1999) описан также плазмохимический реактор, содержащий корпус, охлаждаемую реакционную камеру, установленную в корпусе, плазмотроны, газозакаливающее устройство, помещенное в реакционную камеру и выполненное в виде сверхзвукового сопла, и плазмоподводящие патрубки, соединяющие плазмотроны с газозакаливающим устройством.

Сверхзвуковое сопло выполнено в виде соосно установленных с возможностью взаимного перемещения напротив друг друга двух полых дисков, рабочие поверхности которых выполнены в виде тел вращения с криволинейными образующими, причем в одном из дисков выполнено центральное отверстие, соединенное с плазмоподводящим патрубком. Рабочая поверхность второго диска выполнена из гибкого жаропрочного материала и в нем выполнено центральное отверстие, соединенное с плазмоподводящим патрубком.

Целью изобретения является интенсификация процесса и увеличение производительности.

Общими признаками с предлагаемой конструкцией реактора является наличие корпуса, устройства генерации плазмы.

Недостаток аналогичен предыдущему аналогу.

Наиболее близким (прототип) является плазмохимический реактор, описанный в [А.Л.Сурис. Плазмохимические процессы и аппараты. Изд-во Химия, 1989 г., с.8-10.].

Известный плазмохимический реактор состоит из катода, изолятора, анода, смесительного устройства, реакционного канала, закалочного устройства, теплообменника, фильтра. Электрическая дуга образуется между катодом, выполненным из тугоплавкого материала, и медным водоохлаждаемым анодом, выполненным в виде сопла. Плазмообразующий газ (воздух, водород) выбирается в зависимости от типа проводимого процесса (термическая обработка руды перед флотацией, восстановление оксидов металлов). Проходя через зону разряда, газ нагревается, ионизируется и в виде плазменной струи со среднемассовой температурой 2000-10000 К вытекает в реактор. Струя поступает в камеру смешения реактора, где в нее вводится сырье. В реакционном канале происходит химическое взаимодействие реагентов с образованием целевых продуктов. Стенки реактора охлаждаются водой. Закалочное устройство и теплообменник предназначены для охлаждения продуктов реакции. В фильтре происходит отделение газов от твердых частиц. Из реактора в теплообменник с высокой скоростью поступает газопылевая смесь.

Недостатки прототипа заключаются в повышенной газообразивной эрозии стенок труб теплообменника, в результате чего возрастают эксплуатационные затраты. Кроме того, данный реактор характеризуется неоправданно большим временем контакта высокотемпературного газа и обрабатываемого материала (до 5 с), что приводит к снижению производительности реактора и ухудшению качества обработки сырья (оплавлению свинца и олова).

Задачей изобретения является расширение арсенала плазмохимических реакторов, предназначенных для высокотемпературной обработки минеральных руд перед флотацией.

Технический результат изобретения заключается в:

- увеличении производительности плазмохимического реактора по руде, при улучшении качества продукта;

- снижении капитальных и эксплуатационных затрат на охлаждение продуктов в теплообменнике;

- сокращении времени контакта высокотемпературного газа и обрабатываемого материала;

- снижении потерь руды с отходящими газами.

Устранение указанных недостатков и достижение заявляемого технического результата от реализации плазмохимического реактора для обработки минеральных руд, содержащего корпус, устройство генерации плазмы, устройства подачи газа и руды, устройства вывода обработанной руды и газа, достигают за счет того, что внутри корпуса реактора выполнена вертикальная перегородка с образованием зазора между нижним краем перегородки и днищем корпуса реактора, устройство для вывода обработанной руды выполнено в нижней части реактора, а устройство для вывода газа выполнено в виде штуцера, установленного в верхней части корпуса реактора, образованной вертикальной перегородкой и стенкой корпуса реактора.

Сопоставительный анализ прототипа и заявляемого изобретения показывает, что общими конструктивными признаками является корпус, устройство генерации плазмы, устройства подачи газа и руды, устройства вывода обработанной руды и газа.

Отличительной особенностью заявляемого изобретения является то, что внутри корпуса реактора выполнена вертикальная перегородка с образованием зазора между нижним краем перегородки и днищем корпуса реактора, устройство для вывода обработанной руды выполнено в нижней части реактора, а устройство для вывода газа выполнено в виде штуцера, установленного в верхней части корпуса реактора, образованной вертикальной перегородкой и стенкой корпуса реактора.

Сущность предлагаемого реактора иллюстрируется чертежом, где схематично показаны реактор, плазмотрон и емкость мокрой очистки газа.

Реактор содержит корпус 1, крышку 2, трубу 3, муфту 4, плазмотрон 5, устройство подачи газа, загрузочную воронку 6, защитный щит 7, устройство выгрузки обработанного продукта 8, устройство 9 (барботер) для подачи газа в емкость с водой 11, вертикальную плоскую перегородку 10, емкость с водой 11, устройство 12 (штуцер) для вывода газа из реактора.

Заявляемый плазмохимический реактор представляет собой цилиндрическую емкость (высотой 1400 мм и диаметром 400 мм) с коническим днищем. Корпус реактора 1 выполнен в виде футерованной изнутри стальной конструкции из листового металла, на нем смонтированы все узлы и механизмы реактора. В верхнюю крышку 2 корпуса 1 приварена труба 3 с резьбой на конце. На резьбовую часть трубы навинчена муфта 4, в которую вставляется плазмотрон 5. Вращением муфты 4 регулируют промежуточный зазор между пламенем плазмы и отверстием загрузочной воронки 6, через которую засыпают руду или концентрат. Стенки корпуса защищены футеровкой. Щит 7 предназначен для защиты обслуживающего персонала от действия высокой температуры в период удаления головки плазмотрона из трубы 3. Через устройство 8 производят выгрузку обработанного продукта, а через устройство 12 (штуцер) выводят газ из реактора. В заявляемом реакторе (см. чертеж) также предусмотрено охлаждение стенок корпуса водой.

Предлагаемый плазмохимический реактор изготовлен на действующем производстве и работает следующим образом.

Производительность данного реактора по руде составляет 53 т/ч. Плазмообразующий газ (воздух, водород) выбирают в зависимости от типа проводимого процесса (термическая обработка руды перед флотацией, восстановление оксидов металлов). После подвода электрической энергии, воды, газа и готовности системы включают зажигание плазмотрона 5. Средняя температура среды в реакторе составляет 5800-6000°С. Муфтой 4 с помощью резьбы на трубе 3 регулируют положение пламени в реакционной зоне. Таким образом, материал, загружаемый в воронку 6, может подаваться в различные участки пламени. В период работы реактора в корпусе создают избыточное давление (2,5·10⁵ Па). С целью предотвращения потерь руды установлен гидрозатвор с барботером 9.

Для уменьшения завихрения и для разделения газа от твердых частиц за счет сил инерции в корпусе реактора 1 приварена вертикальная перегородка 10, представляющая собой пористую металлоткань или пористую керамику. Между нижним краем перегородки 10 и днищем корпуса образуется зазор, обеспечивающий прохождение газа.

Твердые частицы оседают в коническом днище реактора за счет изменения направления движения потока газа на 180°. Очищенный (частично) газ огибает перегородку 10 и поступает в пространство между перегородкой 10 и стенкой корпуса, откуда он через штуцер 12 поступает в барботер 9, а затем - в емкость с водой 11. Некоторая часть руды в виде пыли вместе с газом поднимается вверх между стенкой емкости и перегородкой 10, затем через барботер 9 гидрозатвора попадает в емкость с водой 11, где частицы осаждаются и направляются на флотацию, а охлажденный газ - на очистку в циклон. Это позволяет ликвидировать потери руды с выходящей пылью. Мокрый способ очистки газа от частиц, осуществляемый в емкости 11, более эффективен, чем применяемый в прототипе способ сухой очистки.

Из емкости 11 вода с твердыми частицами поступает на флотацию. Твердые частицы из нижней конической части корпуса реактора (см. чертеж) также поступают на охлаждение и далее - на флотацию. Удаление продуктов обработки осуществляют через разгрузочное устройство 8.

За счет разделения газа и твердых частиц непосредственно в корпусе реактора время контакта частицы руды с плазменным потоком в новом реакторе по сравнению с реактором по прототипу снижено с 1-5 с до 0,1-0,5 с. Последнее позволяет увеличить производительность реактора по руде практически на 20-30%, причем качество обработки руды повышается.

Предотвращение повышенного износа стенок трубок теплообменника достигают также за счет разделения газа и твердых частиц непосредственно в корпусе реактора, а не после теплообменника, как в известной конструкции.

Таким образом, в предлагаемом плазмохимическом реакторе создаются более благоприятные условия для проведения процесса, чем в реакторе по прототипу.

Плазмохимический реактор для обработки минеральных руд, содержащий корпус, устройство генерации плазмы, устройства подачи газа и руды, устройства вывода обработанной руды и газа, отличающийся тем, что внутри корпуса реактора выполнена вертикальная перегородка с образованием зазора между нижним краем перегородки и днищем корпуса реактора, устройство для вывода обработанной руды выполнено в нижней части реактора, а устройство для вывода газа выполнено в виде штуцера, установленного в верхней части корпуса реактора, образованной вертикальной перегородкой и стенкой корпуса реактора.