способ обработки минеральных руд

Формула изобретения

Способ обработки минеральных руд, включающий нагрев плазмообразующего газа электрической дугой, плазмохимическую термообработку руд путем смешивания нагретого газа с измельченной рудой в корпусе реактора, разделение смеси нагретого газа и обработанной руды и их охлаждение, отличающийся тем, что разделение смеси нагретого газа и обработанной руды проводят инерционными силами, возникающими при изменении направления движения смеси за счет образования зазора между нижним краем вертикально установленной плоской перегородки и днищем корпуса реактора, перед их выводом из корпуса реактора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу обработки минеральных руд перед флотацией. Данный способ может использоваться также для восстановления из окислов металлов (молибдена, свинца, олова) чистых металлов и освобождения сульфидных минералов от серы.

Известен способ обработки сульфидных руд, описанный в патенте 2229938 (RU МПК⁷ B03B 7/00, C22B 3/00, C22B 4/00, опубл. 10.06.2004), который осуществляют измельчением исходной руды до крупности не более 0,25 мм, а затем проводят флотационное разделение на нерудные минералы и промпродукт. Обезвоженный до остаточной влажности не более 2% промпродукт направляют на дальнейшую обработку, которую ведут путем его подачи в струе нейтрального газа в плазмохимический реактор, где осуществляют высокоскоростной, высокотемпературный нагрев мелкодисперсной фазы промпродукта в потоке нейтрального газа. После выхода разогретой смеси из плазмохимического реактора производят ее резкое криогенное охлаждение с последующим отделением элементарной серы и получением порошкового коллективного концентрата.

Технический результат известного изобретения заключается в снижении стоимости трудовых и энергетических затрат при обогащении, а также значительном уменьшении вредных выбросов в атмосферу и улучшении экологической обстановки в районе переработки руды.

Общим в указанном и предлагаемом нами способе является смешивание газа с измельченной рудой, нагрев смеси газа и руды, охлаждение газа и продуктов обработки.

При данном способе обработки разделение газа и руды осуществляют также только после их резкого охлаждения, чем обусловлено большое время контакта обрабатываемого материала и газа.

В патенте 2064516 (RU МПК⁶ C22B 23/02 2064516, опубл. 27.07.1996) описан способ переработки окисленных никелевых руд, который включает подачу руды и известковых флюсов в противотоке с высокотемпературными отходящими газами, плавку с подачей углеродсодержащего топлива с получением расплава. Образующийся расплав поступает в плазменно-дуговую зону печи, где его обрабатывают плазмой нейтрального газа с подачей твердого восстановителя в количестве 0,04-0,45 от веса исходного материала. Для сульфидирования расплава используют троилитовый концентрат, подаваемый в количестве 0,02-0,03 от веса исходного материала.

Цель известного изобретения - повышение извлечения никеля и кобальта из перерабатываемого материала, а также исключение выбросов диоксида серы в атмосферу.

Общим в указанном и предлагаемом нами способе является смешивание газа с измельченной рудой, нагрев смеси газа и руды и обработка плазмой.

Недостатком данного способа является большое время контакта плазмы с расплавом.

Наиболее близким (прототип) по технической сущности и достигаемому результату к патентуемому способу является плазмохимический способ обработки руды, описанный в [А.Л.Сурис. Плазмохимические процессы и аппараты. Изд-во "Химия", 1989 г., с.8-10]. Известный способ обработки руды осуществляют в плазмохимическом реакторе, который 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) выбирают 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 вводят сырье. В реакционном канале происходит химическое взаимодействие реагентов с образованием целевых продуктов. Стенки реактора охлаждают водой. Закалочное устройство и теплообменник предназначены для охлаждения продуктов реакции. В фильтре происходит отделение газов от твердых частиц.

Из реактора в теплообменник поступает газопылевая смесь с высокой скоростью, что вызывает повышенную газоабразивную эрозию стенок труб теплообменника, в результате чего возрастают эксплуатационные затраты. Кроме того, данный способ обработки руды характеризуется неоправданно большим временем контакта высокотемпературного газа и обрабатываемого материала (до 5 с), что приводит к снижению производительности реактора и качества обработки сырья.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка более эффективного плазмохимического способа обработки минеральных руд с минимальными капитальными и эксплуатационными затратами на охлаждение продуктов в теплообменнике, позволяющего увеличить производительность реактора, в котором осуществляют данный способ, и снизить капитальные и эксплуатационные затраты.

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 технического результата от реализации способа обработки минеральных руд, включающего нагрев плазмообразующего газа электрической дугой, плазмохимическую термообработку руд путем смешивания нагретого газа с измельченной рудой в корпусе реактора, разделение смеси нагретого газа и обработанной руды и их охлаждение, достигают тем, что разделение смеси нагретого газа и обработанной руды проводят инерционными силами, возникающими при изменении направления движения смеси за счет образования зазора между нижним краем вертикально установленной плоской перегородки и днищем корпуса реактора, перед их выводом из корпуса реактора.

Сопоставительный анализ прототипа и заявляемого изобретения показывает, что общими признаками являются нагрев плазмообразующего газа электрической дугой, плазмохимическая термообработка руд путем смешивания нагретого газа с измельченной рудой в корпусе реактора, разделение смеси нагретого газа и обработанной руды и их охлаждение.

Отличительной особенностью заявляемого изобретения является то, что разделение смеси нагретого газа и обработанной руды проводят инерционными силами, возникающими при изменении направления движения смеси за счет образования зазора между нижним краем вертикально установленной плоской перегородки и днищем корпуса реактора, перед их выводом из корпуса реактора.

Новый способ обработки руды может использоваться для восстановления из окислов металлов (молибдена, свинца, олова) чистых металлов, освобождения сульфидных минералов от серы, а также для подготовки руды к флотации.

При известном способе обработки руды из нижней части реактора выходит высокотемпературная газопылевая среда, которую с высокой скоростью подают в трубки теплообменника, это сопряжено с вышеуказанными недостатками прототипа.

Предлагаемый способ позволяет устранить недостатки известного способа путем разделения газа и твердых частиц, который осуществляют непосредственно в корпусе реактора, а не после теплообменника, как при известном способе. Эта же мера позволяет снизить время контакта газа и твердых частиц в реакторе и, как следствие, увеличить производительность реактора и улучшить качество продукта. Разделение газа и твердых частиц в корпусе реактора при новом способе обработки руды может осуществляться, например, за счет инерционных сил, возникающих при резком изменении направления движения газопылевой среды. Для этого в реакторе предлагается установить вертикальную плоскую перегородку 10 (см. чертеж) с образованием зазора между нижним краем перегородки и днищем корпуса реактора. Газ на выходе из реактора через трубу (барботер) 9 направляют в емкость с водой 11, где происходит его охлаждение и улавливание остаточных твердых частиц. Мокрый способ очистки газа от частиц, осуществляемый в емкости 11, более эффективен, чем применяемый ранее способ сухой очистки. Из емкости 11 вода с твердыми частицами поступает на флотацию. Твердые частицы (обработанная руда) из нижней конической части корпуса реактора также поступают на охлаждение и далее на флотацию.

Сущность заявляемого способа иллюстрируется следующим примером и 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 вывода газа 9 (барботер), вертикальную плоскую перегородку 10, емкость с водой 11. Корпус реактора 1 выполнен в виде футерованной 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 навинчивается муфта 4, в которую вставляется плазмотрон 5. 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. В реакторе также предусмотрено охлаждение стенок корпуса водой.

Новый плазмохимический способ обработки руды осуществляют следующим образом. Плазмообразующий газ сначала нагревают электрической дугой, затем смешивают с измельченной рудой, далее после термообработки разделяют руду и газ, а затем охлаждают продукты. Способ может быть осуществлен в реакторе, который представляет собой цилиндрическую емкость (высотой 1400 мм и диаметром 400 мм) с коническим днищем (см. чертеж). Производительность данного реактора по руде составляет 53 т/ч. Плазмообразующий газ выбирают в зависимости от типа проводимого процесса. После подвода электрической энергии, воды, газа и готовности системы включают зажигание плазмотрона 5. Муфтой 4 с помощью резьбы на трубе 3 регулируют положение пламени в реакционной зоне. Средняя температура среды в реакторе составляет 5800-6000°С. Таким образом, материал, загружаемый в воронку 6, могут подавать 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 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 для прохождения газа. Разделение газа от твердых частиц осуществляют непосредственно в корпусе реактора за счет инерционных сил. Твердые частицы оседают в коническом днище реактора, а газ меняет направление движения на 180°, огибает перегородку 10 и поступает в пространство между перегородкой 10 и стенкой корпуса, откуда его отводят в емкость с водой. Некоторая часть руды в виде пыли 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 газ - на очистку в циклон. Это позволяет ликвидировать потери руды с выходящей пылью. Удаление продуктов обработки осуществляют через разгрузочное устройство 8.

Пример

Осуществление патентуемого способа показано на примере подготовки минеральной руды к флотации. Используемую руду предварительно измельчают до размеров +2 мм, после чего подают в описанный выше плазмохимический реактор, в котором она контактирует с воздушной плазмой. Продолжительность контакта (продолжительность плазмохимический обработки) составляет 0,5 сек. Температура воздушной плазмы зависит от типа плазмообразующего газа, в данном случае воздуха, и поддерживается в соответствующем интервале. Температуру, рабочий ток и напряжение поддерживают в величинах, обеспечивающих оптимальный режим плазмохимической обработки руды. В процессе обработки в корпусе реактора создают избыточное давление (2,5·10⁵ Па). Производительность опытно-промышленной установки по руде составляет 53 т/ч.

Об эффективности плазмохимической обработки руды судили по кинетике измельчения обработанной по заявляемому способу руды, по раскрытию полезного минерала и содержанию в пульпе свободных зерен ценного компонента.

Исходную руду (до обработки плазмой) и обработанную плазмой руду подают в измельчительный агрегат для доведения крупности частиц до расчетного класса +0,63 мм, после чего производят флотационное отделение целевого продукта от нерудных минералов. Кинетика измельчения представлена в таблице.

Из приведенных результатов видно, что заявляемый способ обработки руды обеспечивает значительное сокращение (с 12 до 6 минут) продолжительности последующего измельчения руды и увеличение в два раза производительности измельчительного агрегата. Убедительно показано, что при измельчении обработанной плазмой руды за первые 6 минут на 15% возрастает выход оптимального класса крупности и на 8% уменьшается выход шламов (снижение потерь руды) к концу измельчения.

В результате исследований установлено, что обработка минеральной руды по заявляемому способу обеспечивает лучшее раскрытие полезного минерала и повышение на 1,5-2,0% содержания в пульпе свободных зерен ценного компонента (улучшение качества). При этом сокращается продолжительность контакта руды с плазмой (0,5 сек), что предотвращает возможность оплавления ценных компонентов. Последнее положительно сказывается на качестве целевых продуктов и на их выходе.

Время контакта частицы руды с плазменным потоком при новом способе по сравнению с известным способом может быть снижено с 1-5 сек (продолжительность обработки 1-5 сек ведет к оплавлению свинца и олова) до 0,1-0,5 сек за счет разделения газа и твердых частиц непосредственно в корпусе реактора. Это позволяет увеличить производительность реактора по руде практически на 20-30%, причем качество обработки руды повышается.

Таблица
Кинетика измельчения исходной и обработанной плазмой руды
Продолжительность измельчения, мин	Руда
Исходная	Обработанная плазмой
Выход, мас.%
Класс + 0,63 мм	Шламы	Класс + 0,63 мм	Шламы
1	15	3	25	4
2	27	5	50	9
4	60	12	85	15
6	85	15	100	22
8	94	22	-	-
10	97	25	-	-
12	100	30	-	-