способ подготовки хлормагниевого сырья к электролизу и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ подготовки хлормагниевого сырья к электролизу, включающий загрузку обезвоженного хлормагниевого сырья на стадию плавления, нагрев и плавление сырья с одновременной обработкой расплава хлоридом водорода, полученным сжиганием хлорвоздушной смеси в природном газе, подачу расплавленного сырья на стадию хлорирования, при которой расплав одновременно обрабатывают хлоридом водорода, полученным путем сжигания хлорвоздушной смеси в природном газе, и хлором, загрузку расплава на стадию отстаивания, слив расплава и отвод отходящих газов, отличающийся тем, что стадии плавления, хлорирования и отстоя осуществляют в раздельно стоящих герметичных цилиндрических агрегатах, отходящие газы со стадии плавления и стадии отстоя удаляют совместно с отходящими газами на стадии хлорирования, при этом подачу расплава и отвод газов осуществляют совместно, со стадии плавления газы подают на стадию хлорирования прямоточно с расплавленным сырьем, а со стадии отстоя на стадию хлорирования - противоточно движению расплава.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что хлорвоздушную смесь и природный газ подают на стадию плавления и на стадию хлорирования со скоростью 30-100 м/с и при давлении не более 2,5 атм.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расплав со стадии плавления подают сверху вниз, а со стадии хлорирования на стадию отстоя - снизу вверх.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу хлора и хлорида водорода на стадии хлорирования осуществляют в центр расплава.

5. Устройство для подготовки хлормагниевого сырья к электролизу, содержащее агрегат для плавления с устройством для получения хлорида водорода, размещенным в фурме плавильного агрегата, агрегат для хлорирования с фурмами для подачи хлора и устройством для получения хлорида водорода, размещенным в фурме, агрегат для отстоя, патрубки для отвода отходящих газов, отличающееся тем, что агрегаты для плавления, хлорирования и отстоя выполнены раздельно стоящими в виде герметичных агрегатов цилиндрической формы, соединенных между собой расплавопроводами для совместного перемещения отходящих газов и расплава, при этом агрегат для хлорирования выполнен из двух частей: цилиндрической в верхней части и в форме усеченного конуса в нижней части, а фурмы для подачи хлора и хлорида водорода размещены в нижней части усеченного конуса.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что агрегаты выполнены одинакового диаметра.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что соотношение внутреннего меньшего диаметра усеченного конуса в нижней части агрегата для хлорирования к внутреннему диаметру цилиндрической части агрегата равно 1:(4-5).

8. Устройство по п.5, отличающееся тем, что соотношение высоты усеченного конуса в нижней части агрегата для хлорирования к высоте цилиндрической части равно 1:(1,4-1,8).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано при подготовке хлормагниевого сырья к электролизу.

Производство безводного карналлита осуществляют в две стадии: первую - во вращающихся печах или печах кипящего слоя с получением обезвоженного карналлита, вторую - в электрических печах типа СКН или в хлораторах с получением безводного карналлита.

Известен способ подготовки хлормагниевого сырья к электролизу (авт. свид. СССР 399574, опубл. БИ 39, 1973 г.), включающий загрузку твердого сырья на стадию плавления в пространство, обогреваемое электродами. Со стадии плавления расплав поступает на стадию хлорирования, где расплав обрабатывают хлором, далее расплав перетекает на стадию отстоя, откуда верхний слой расплава направляют на электролиз, а нижний слой расплава с содержанием оксида магния от 3 до 20% возвращают на стадию хлорирования.

Недостатком данного способа подготовки сырья к электролизу является низкая степень хлорирования сырья хлором, что приводит к образованию большого количества шлама и застойных зон.

Известен способ подготовки хлормагниевого сырья к электролизу (авт. свид. СССР 723005, опубл. БИ 11, 1980 г.), включающий его плавление, подачу в расплав смеси природного газа и хлора, обработку этой смесью расплавленного сырья при температуре 700-800^oС и дополнительную обработку анодным хлором из расчета 15-25 кг на тонну готового продукта.

Недостатком данного способа является низкая производительность процесса обезвоживания хлормагниевого сырья из-за незначительного срока службы оборудования.

Известны устройства для подготовки хлормагниевого сырья к электролизу - электропечь для плавления, обезвоживания и отстоя солей (авт. свид. СССР 343129, опубл. БИ 20, 1972 г., авт. свид. СССР 775181, опубл. БИ 40, 1980 г. ), включающие футерованную ванну, разделенную перегородками на последовательно соединенные между собой камеры плавления, хлорирования и отстоя.

Известно устройство для хлорирования расплавленных солей хлорида магния (пат. США 4526761, опубл. 02.07.85 г., пат. США 4415538, опубл. 15.11.83 г., авт. свид. 532391, опубл. БИ 39, 1976 г.), включающее корпус, облицованный огнеупорным материалом, в верхней части одной боковой стенки смонтировано впускное отверстие для расплава, в верхней части другой стенки - выпускное отверстие для удаления хлорированного расплава. В нижней части устройства расположены фурмы для подачи хлора. Камера сужается сверху вниз, в нижней части камеры закреплена перегородка, суживающаяся снизу вверх и разделяющая камеру на отсеки, сообщающиеся между собой только в верхней части.

Недостатком данных устройств является низкая производительность за счет незначительного срока службы.

Известен способ подготовки хлормагниевого сырья к электролизу и устройство для его осуществления (хлоратор) (кн. Электрометаллургия алюминия и магния. /Ветюков М.М., Цыплаков А.М., Школьников С.Н.// - Учебник для вузов. М. : Металлургия. - 1987. - С.236-248; Кн. Металлургия магния и других легких металлов. - Стефанюк С.Л.: Учебник для техникумов. - М.: Металлургия. -1985. - С.60-66;). Способ состоит из совмещенных процессов: плавления и частичного обезвоживания карналлита, хлорирования оксида магния и остаточной воды и очистки от вредных примесей. Хлорирование осуществляют путем барботирования хлора через расплавленный карналлит в присутствии восстановителя, обычно молотого нефтяного кокса. Хлоратор состоит из 3 камер: плавильника, двух хлораторных камер и копильника (отстойника), заключенных в общий стальной кожух. Плавильник нагревается с помощью погруженных в расплав стальных электродов, загрузка обезвоженного карналлита и кокса при соотношении 100:1 осуществляется через загрузочное устройство в плавильнике. В хлораторной камере установлены одна над другой три горизонтальные плиты (колосниковые решетки) с отверстиями для прохода и равномерного распределения газа по всему сечению камеры. Хлораторные камеры подогреваются электрическим током с помощью угольных электродов. Хлор (анодный газ из магниевых электролизеров) подается раздельно вниз каждой хлораторной камеры через хлорные фурмы. Подогрев расплава в копильнике осуществляется также с помощью электродов. Внизу копильника имеется ленточное устройство, через которое периодически выпускают расплав. Таким образом, расплав в хлораторе перемещается следующим образом: из плавильника переливается через порог в одну из хлораторных камер, из верхних отделений камер по переточным каналам - в нижние, затем по сообщающемуся вертикальному каналу в верхнее отделение второй хлораторной камеры, а из нее поднимается снизу вверх по вертикальному каналу - в копильник (отстойник).

Недостатками данного способа обезвоживания и устройства для его осуществления являются то, что колосниковые решетки в хлораторной камере массивны, работают в другом температурном режиме, это приводит к разрушению наружных стен хлораторных камер и образованию течи. Низкие скорости газа в фурмах создают разрушение фурм и фурмы выходят из строя. Избыточная подача твердого топлива приводит к загрязнению расплава твердыми примесями, что значительно снижает скорость хлорирования.

Известен способ подготовки хлормагниевого сырья к электролизу и устройство для его осуществления (ст. Снижение потерь магния и хлора при получении безводного карналлита. - /Сабуров Л.Н., Тетерин В.В., Михайлов Э.Ф., Пенский А. В. // - Ж. Цветные металлы.- 8. - 1985 г. - С.82-84) путем обезвоживания расплавленного карналлита в атмосфере хлорида водорода. Предварительно хлорид водорода получают путем окисления хлора в природном газе. Обезвоженный карналлит из промышленной печи КС состава ~ 1,8 мас.% оксида магния и 2,5 мас. % воды при температуре 500-560^oС расплавляли при одновременной обработке хлоридом водорода. Установка для плавления карналлита в атмосфере хлорида водорода содержит шахту, в которую через фурму снизу вверх подают хлорид водорода, сверху через загрузочное устройство непрерывно подают обезвоженный карналлит, через сливное отверстие расплав сливают. Установку для плавления подогревают с помощью электродов.

Недостатком данного способа подготовки хлормагниевого сырья к электролизу и устройства для его осуществления является то, что хлорид водорода получают в отдельном аппарате и требуются дополнительные затраты на подогрев расплава и получение хлорида водорода.

Известен способ подготовки хлормагниевого сырья к электролизу и устройство для его осуществления (патент 1614365). Способ включает непрерывную подачу обезвоженного после первой стадии карналлита в плавильник, где происходит его плавление, обезвоживание и частичное хлорирование в тангенциально введенной газовой смеси, полученной сжиганием хлора в природном газе. Введение газовой смеси подавляет гидролиз хлорида магния. Далее через сепарационный канал расплав по переточному каналу подается в хлорирующую камеру, куда по фурмам подают хлор. Образуется газонасыщенный расплав, который вытесняется вверх и через переточные каналы перегородок перетекает в аэролифтные камеры, где происходит отделение газовой фазы от расплава. Расплав опускается вниз и снова поступает в хлорирующую камеру, где происходит дохлорирование частично образовавшего при плавлении оксида магния. Хлор направляется в плавильник на сжигание в природном газе, а готовый расплав сливается. Устройство для получения безводного карналлита включает плавильник, выполненный конической формы, хлорирующую камеру с фурмами. Хлорирующая камера соединена сепарационным каналом и аэролифтными камерами. Между сепарационным каналом и хлорирующей камерой размещена перегородка.

Недостатком известного способа подготовки хлормагниевого сырья к электролизу и устройства для его осуществления является сложность технологии и конструкции устройства.

Наиболее близким к заявляемому изобретению относится способ подготовки хлормагниевого сырья к электролизу и устройство для его осуществления (авт. свид. СССР 1242468, опубл. БИ 25, 1986 г.). Частично обезвоженный карналлит с содержанием воды 3 мас. % и оксида магния 2 мас.% непрерывно подают в плавильник, в котором происходит нагревание, плавление и обезвоживание в токе газовой смеси хлорида водорода и твердого углерода в виде сажи. Газовую смесь получают путем сжигания смеси анодного хлора в природном газе в генераторе. Из плавильника по переточному каналу сверху вниз расплав перетекает в хлорирующую камеру, где происходит хлорирование остаточных продуктов гидролиза хлором, и далее через переточный канал расплав перетекает в копильник, где происходит отстой расплава.

Устройство для подготовки хлормагниевого сырья к электролизу состоит из огнеупорного футерованного кожуха, разделенного перегородками на три камеры: плавильник, хлорирующую камеру и камеру отстоя (копильника), которые соединены между собой переточными каналами. Камера плавления снабжена горизонтальной перегородкой и генератором хлористого водорода, размещенным в фурме и выполненным в виде двух коаксиально размещенных цилиндров, по которым подают хлор и природный газ. Фурма с генератором размещена в нижней части плавильника.

Недостатком данного способа и устройства для его осуществления является то, что получаемый в генераторе хлорид водорода содержит твердые частицы углерода, которые, находясь в расплаве, не полностью взаимодействуют, что приводит к образованию твердых взвесей в расплаве и его загрязнению. Кроме того, при переливе расплава из камеры в камеру по верхним переточным каналам расплав часто переливается сразу в копильник, минуя стадию хлорирования. Это не позволяет получить расплав необходимого качества. Большой пылеунос снижает степень извлечения хлорида магния из сырья. Срок службы такого хлоратора незначительный из-за разрушения перегородок между камерами за счет разных термических нагрузок (температура в плавильной камере 550^oС, в хлорирующей камере - 780-820^oС, в камере отстоя - 710^oС).

Задачей изобретения является устранение перечисленных недостатков.

Технический результат заключается в повышении производительности процесса подготовки хлормагниевого сырья к электролизу и срока службы устройства для его осуществления, снижения пылеуноса.

Данная задача решается так, что в способе подготовки хлормагниевого сырья к электролизу, включающем загрузку обезвоженного хлормагниевого сырья на стадию плавления, нагрев и плавление сырья с одновременной обработкой расплава хлоридом водорода, полученным сжиганием хлорвоздушной смеси в природном газе, подачу расплавленного сырья на стадию хлорирования, при которой расплав одновременно обрабатывают хлоридом водорода, полученным путем сжигания хлорвоздушной смеси в природном газе и хлором, загрузку расплава на стадию отстаивания, слив расплава и отвод отходящих газов, причем стадии плавления, хлорирования и отстоя осуществляют в раздельно стоящих герметичных цилиндрических агрегатах, отходящие газы со стадии плавления и стадии отстоя удаляют совместно с отходящими газами на стадии хлорирования, при этом подачу расплава и отвод газов осуществляют совместно, со стадии плавления газы подают на стадию хлорирования прямоточно с расплавленным сырьем, а со стадии отстоя на стадию хлорирования - противоточно движению расплава.

Кроме того, хлорвоздушную смесь и природный газ подают на стадию плавления и на стадию хлорирования со скоростью 30-100 м/с при давлении не более 2,5 атм.

Кроме того, расплав со стадии плавления подают сверху вниз, а со стадии хлорирования на стадию отстоя - снизу вверх.

Кроме того, подачу хлора и хлорида водорода на стадии хлорирования осуществляют в центр расплава.

Данная задача решается также тем, что в устройство для подготовки хлормагниевого сырья к электролизу, содержащее агрегат для плавления с устройством для получения хлорида водорода, размещенным в фурме плавильного агрегата, агрегат для хлорирования с фурмами для подачи хлора и устройством для получения хлорида водорода, размещенным в фурме, агрегат для отстоя, патрубки для отвода отходящих газов, причем агрегаты для плавления, хлорирования и отстоя выполнены раздельно стоящими в виде герметичных агрегатов цилиндрической формы, соединенных между собой расплавопроводами для совместного перемещения отходящих газов и расплава, при этом агрегат для хлорирования выполнен из двух частей: цилиндрической в верхней части и в форме усеченного конуса в нижней части, а фурмы для подачи хлора и хлорида водорода размещены в нижней части усеченного конуса.

Кроме того, агрегаты выполнены одинакового диаметра.

Кроме того, соотношение внутреннего меньшего диаметра усеченного конуса нижней части агрегата для хлорирования к внутреннему диаметру цилиндрической части агрегата равно 1:(4-5).

Кроме того, соотношение высоты усеченного конуса нижней части агрегата для хлорирования к высоте цилиндрической части равно 1:(1,4-1,8).

Проведение процессов плавления, хлорирования и отстоя в отдельно стоящих герметичных агрегатах, соединенных между собой расплавопроводами, позволяет значительно повысить производительность процесса за счет повышения срока службы агрегатов.

Отвод отходящих газов по расплавопроводам на стадию хлорирования прямоточно движению расплава со стадии плавления и противоточно движению расплава со стадии отстоя позволяет снизить пылеунос и тем самым повысить производительность процесса за счет повышения скорости обезвоживания.

Конструкция агрегата для хлорирования с определенным соотношением меньшего диаметра усеченного конуса нижней части агрегата к цилиндрической части, равным 1:(4-5) и соотношением высоты усеченного конуса нижней части агрегата к цилиндрической части, равным 1: (1,4-1,8) позволяет осуществлять более полно процесс хлорирования безводного хлормагниевого сырья без образования твердых взвесей и тем самым повысить производительность процесса и устройства для получения безводного карналлита.

Подача хлорвоздушной смеси и природного газа со скоростью, равной 30-100 м/с при давлении не более 2,5 атм и использование форсунки позволяет осуществлять дробление хлорвоздушной смеси на мелкие частицы, что увеличивает скорость хлорирования сырья и тем самым - производительность стадий плавления и хлорирования.

Заявленная группа изобретений соответствует требованию единства изобретения, поскольку группа разно объектных изобретений образует единый изобретательский замысел, причем один из заявленных объектов - устройство для получения безводного карналлита предназначено для использования другого заявленного объекта - способа получения безводного карналлита. При этом оба объекта группы изобретения направлены на решение одной и той же задачи с получением единого технического результата - повышения производительности и качества продукта - безводного карналлита.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной группы изобретений как для объекта - способа, так и для объекта - устройства, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналоги как для способа, так и для устройства заявленной группы изобретений. Определение из перечня выявленных аналогов-прототипов как для способа, так и для устройства - как наиболее близких по совокупности признаков аналогов, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков для каждого из заявленных объектов группы, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, каждый из объектов группы изобретений соответствует условию "Новизна".

Для проверки соответствия каждого объекта заявленной группы изобретений условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявить признаки, совпадающие с отличительными от выбранных прототипов признаками для каждого объекта заявленной группы изобретений. Результаты поиска показали, что каждый объект заявленной группы изобретений не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками каждого из объектов заявленной группы изобретений преобразований на достижение технического результата. Следовательно, каждый из объектов заявленной группы изобретений соответствует условию "изобретательский уровень".

На фиг.1, 2 показано устройство для получения безводного карналлита.

Устройство для получения безводного карналлита состоит из агрегата для плавления 1 с устройством-форсункой 2 для получения хлорида водорода, стальными электродами 3, расплавопроводом 4, агрегата для хлорирования 5 с фурмой 6 для подачи хлора и устройством-форсункой 7 для получения хлорида водорода, стальными или графитовыми электродами 8. Агрегат для хлорирования выполнен из двух частей: верхней цилиндрической 9 и нижней в форме усеченного конуса 10, причем соотношение внутреннего меньшего диаметра усеченного конуса нижней части агрегата для хлорирования к внутреннему диаметру цилиндрической части агрегата равно 1:(4-5), а соотношение высоты усеченного конуса нижней части агрегата для хлорирования к высоте цилиндрической части равно 1:(1,4-1,8). Агрегат для хлорирования снабжен двумя патрубками 11 для отвода газов, и с помощью расплавопровода 12 соединен с агрегатом для отстоя 13, снабженного леткой 14 для слива накопленного шлама и готового продукта - безводного хлорида магния. Все агрегаты выполнены одинакового диаметра и снабжены герметичными крышками с арочными сводами (в виде усеченных сфер из шамотного кирпича в металлическом съемном корпусе). В фурмы установлены форсунки 2, 7 (известной конструкции, создающей сверхзвуковые колебания при выходе из нее струи смеси газов хлора, сжатого воздуха и природного газа). Крепление форсунок в фурму осуществляется путем сварки к трубопроводу, через который подают хлорвоздушную смесь и природный газ, установленных внутри фурмы.

Пример осуществления способа.

Твердый обезвоженный карналлит, полученный на первой стадии обезвоживания, например в печи кипящего слоя, состава MgCl₂ - 45-50%, MgO - 1,5-3%, H₂O - менее 6%, KCl - 30-40%, NaCl - 6-15% подают в плавильный агрегат 1, где за счет тепла, выделяющегося при протекании электрического тока в графитовых электродах через расплавленный карналлит при температуре 480-520^oС, обезвоженный карналлит окончательно расплавляют и частично обезвоживают за счет тепла, выделяющегося при сжигании природного газа, хлорвоздушной смеси.

Подача смеси осуществляется в трубопровод, одним концом установленным в фурму и соединенным с устройством для получения хлорида водорода - форсункой 2.

Подача хлорвоздушной смеси и природного газа в трубопровод, одним концом установленным в фурму, производится с помощью напорных шлангов: природного газа - через регулирующие системы от специальной разводки, анодного хлоргаза - от хлоропроводов отделения СКН и хлораторов, через регулирующие устройства, сжатого воздуха - от цехового магистрального трубопровода через регулирующие устройства. Хлористый водород получается в результате сжигания природного газа, содержащего, в основном, метан, в смеси хлора и воздуха по реакции:

2CH₄ + O₂ + 2Cl₂ --> 4HCl + 2CO₂ (1)

Смесь газов должна удовлетворять объемному соотношению хлор:природный газ: сжатый воздух, равному 3:1:1 в количестве не менее 120 м³/ч анодного хлоргаза и не менее 40 м³/ч соответственно природного газа и воздуха. Скорость подачи смеси в форсунку составляет 30-100 м/с и при давлении не более 2,5 атм. Температура воспламенения такой смеси равна 280-360^oС. Далее расплав через расплавопровод 4 поступает в агрегат для хлорирования 5. Одновременно в агрегат для хлорирования прямоточно с расплавом поступают отходящие газы из агрегата плавления 1, причем газы и расплав поступают из агрегата плавления 1 в агрегат хлорирования 5 сверху вниз (за счет разного уровня расплава в агрегатах). В хлорирующий агрегат 5, служащий для прогрева расплавленного карналлита до температуры 780-820^oС и хлорирования окиси магния, одновременно подают через фурму 6 анодный хлоргаз, а через форсунку 7 - смесь хлора, природного газа и сжатого воздуха при соотношении 3:1:1 при скорости 30-100 м/с и давлении не более 2,5 атм. Фурмы размещены в нижней части усеченного конуса 10 агрегата. Температура - не менее 1000^o С, расход хлора не более 0,05 нм³/с, расход природного газа от 35-180 нм³/ч. Концентрация хлорида водорода - не более 15 г/нм³. Агрегат для хлорирования состоит из 2-х частей: верхней - цилиндрической 9 и нижней - в форме усеченного конуса 10, причем соотношение внутреннего меньшего диаметра усеченного конуса 10 нижней части агрегата для хлорирования к внутреннему диаметру цилиндрической части агрегата равно 1:(4-5), а соотношение высоты усеченного конуса нижней части агрегата для хлорирования к высоте цилиндрической части равно 1: (1,4-1,8). Агрегат для хлорирования снабжен двумя патрубками 11 для отвода отходящих газов. Через фурмы хлор и хлорид водорода, благодаря форме усеченного конуса нижней части агрегата для хлорирования, подают в центральную часть расплава, что позволяет вести процесс хлорирования достаточно полно и без образования твердых взвесей. Затем расплав через расплавопровод 12 поступает в камеру отстоя 13. Через расплавопровод из агрегата отстоя 13 в агрегат хлорирования 5 за счет перепада давления поступают противоточно движению расплава отходящие газы. Расплавопровод 12 размещен между агрегатами с наклоном, и расплав движется из агрегата хлорирования в агрегат отстоя снизу вверх (за счет перепада уровней в агрегатах). Все агрегаты выполнены одинакового диаметра, например 3500 мм, сверху герметизированы крышками со сводами. Каждый агрегат снабжен кожухом и огнеупорным материалом. Через летки 14 периодически сливают расплав для процесса электролиза хлормагниевого сырья. После отстоя получают расплав безводного карналлита состава: содержание MgO - не более 0,4%, вода - практически отсутствует (не более 0,2%), выход шлама - не более 10 кг на тонну расплава.

Таким образом, срок службы устройства для подготовки хлормагниевого сырья к электролизу увеличивается с 2 лет до 4-5 лет, снижается пылеунос из аппаратов, повышается производительность устройства не менее 200 т/сут. По данной технологии и новой конструкции повышается степень использования хлора.