CN102959101B - 用于矿体的热处理的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本文公开的本发明的系统涉及改进的用于从矿石提取金属的系统。

Description

用于矿体的热处理的系统和方法

相关申请的交叉引用

不适用。

关于联邦资助的研究或开发的声明

不适用。

在光盘上提交的材料的通过引用的并入

不适用。

技术领域

本文公开的本发明的系统涉及改进的用于从矿石提取金属的系统。

发明背景

矿石被定义为可以从其提取有价值的成分并且更具体地至少一种金属的矿物或矿物的聚集体。矿石必须被处理以将不想要的有机物和矿物或其他的无机材料与金属分离。一旦矿石被处理，那么其可以被精炼以分离金属。例如，灰吹法是用于将银与铅分离的精炼方法。如本文所使用的复杂矿石意指其中金属与聚集的有机的和无机的材料的比率低的矿石或其中金属难以与聚集的有机的和无机的材料分离的矿石。

已知的用于处理的方法包括将石灰和/或氰化物暴露于矿浆或其他的相似的浸提工艺。这些方法在处理复杂矿石时是低效率的和高成本的。因此，复杂矿石中的金属可能不被提取。即使已知的用于处理矿石的方法是高效率的和低成本的，但它们对环境有毒。这些方法将有毒气体和化学物以及未处理的水释放入环境中。已知的方法还可能需要大的能量输入。

本文描述的本发明的系统提供用于有效地和低成本地处理复杂矿石的方法和设备。本发明的系统还是“绿色的”：

（1）空气排放物满足或显著地小于目前的郡、州和联邦的监管限制；

（2）工艺用水使用最佳可行控制技术（BACT）来处理和处置，以允许释放到当地污水管道系统中。

（3）电源被调节为使得其被更有效地使用。

A.现有技术的描述

热处理矿物以及冶金矿石和浓缩物以引起材料中的物理的和化学的转变以使得能够回收金属是本领域中已知的。这样的处理可以产生可出售的产品，例如纯的金属或适合作为用于进一步的精炼的进料的中间体化合物或合金。已知的是，等离子体环境可以向燃料热处理提供高温以精炼金属。例如，等离子体环境已经用于将铁溶渣转化为纯铁。更具体地，低温等离子体炬已经用于引起处理过的矿石中的热的和物理的变化。处理过的矿石通常被放置在坩埚中并且被加热；这种类型的系统可以被认为是炉。

在炉环境中，聚集的有机的和无机的材料不能够仅使用热的加入来除去。通常，环境上有毒的化学物必须被加入以产生可以在其中处理矿石的环境。

为了使用等离子体反应器处理矿石，若干问题必须被考虑。首先，关键的是，使进料矿石暴露于由等离子体炬产生的高热量，持续足以导致熔融或其他反应的时间段。第二，炬消耗品部件显示出高故障率和大的低效率。第三，已知的是，高热量产生在现有技术反应器壁中的故障。第四，现有技术反应器不能够以工业效率运行。以工业效率处理矿石需要：（a）可以在短的时间段内处理数百磅矿石的反应器；（b）恒定的反应器温度；（c）等离子体炬和其他反应器部件的低的故障率和低的材料击穿；以及（d）易于维修的反应器部件。第五，有效地收集处理过的矿石的能力是至关重要的。最后，已知的反应器不是能量高效率的。

B.发明的系统

本发明的系统提供了独特的配置，该配置组合等离子体炬与感应加热以处理复杂矿石，以便以工业效率除去不想要的有机材料和无机材料，仅留下金属，而没有有毒的化学物或气体释放到环境中。本发明的系统在图1-2中大体上示出。然而，应当注意，本发明的系统可以以许多不同的形式来体现并且不应当被理解为限于本文阐明的实施方案。

参照图1，在第一实施方案中，本发明的系统包括AMT反应器^TM（AMTReactor^TM）（10）、袋滤室（700）和废气系统（800）。矿石在（1）进入本发明的系统并且被AMT反应器^TM（10）处理。在最简单的方案中，将处理过的矿石在（2）从本发明的系统除去。

当矿石通过AMT反应器^TM（10）处理时，其释放气体例如碳、硫、氧以及其各种组合。当气体在（3）离开AMT反应器^TM（10）时，具有较低的密度的矿石颗粒可以被拉动入高温袋滤室（下文称为“袋滤室”）（700）中。袋滤室（700）包括多个过滤器以捕获矿石颗粒。因为进入袋滤室（700）的矿石颗粒中的某些含有金属，所以回收的矿石颗粒可以被化学处理（50）以除去不想要的材料。在优选的实施方案中，化学处理（50）可以是酸处理或碱处理。

气体继续从袋滤室（700）运动至废气系统（800）。废气系统（800）捕获并且清洁来自AMT反应器^TM（10）的工艺气体。废气系统（800）在真空或低于大气压力下运行，使得工艺气体从AMT反应器^TM（10）朝向废气系统（800）运动。

参照图2，在第二实施方案中，本发明的系统还包括二次熔融系统（900）。有时，金属被隐藏在不想要的有机材料和无机材料中，使得它们不能够在AMT反应器^TM（10）中被完全地处理。在这样的情况下，矿石还通过二次熔融系统（900）来处理。二次熔融系统可以是例如第二AMT反应器^TM（10）或导电线圈（conductive coil）。即使使用二次熔融系统（900），期望的金属可能仍然在其在（7）离开二次熔融系统（900）时被隐藏在不想要的有机材料和无机材料中。为了除去残留的不想要的有机材料和无机材料，可以在化学处理（50）中进一步处理矿石。

在上文描述的实施方案以及是其明显的变化形式的任何实施方案中的每个中，本发明的系统的部件使用高温管道来附接于彼此。本发明的系统，与实施方案无关，使用专有的I/O系统来控制从矿石进料速度至通过废气系统（800）释放的气体的类型的一切。I/O控制系统同时地测量向AMT反应器^TM（10）中的、经过袋滤室（700）和废气系统（800）的流量。其即时地调整运行环境，使得气体和其他毒素在释放入环境中之前被合适地处理。因此，所释放的有毒气体和材料的量被紧密地监测，并且所有的所释放的气体和材料被合适地处理并且满足或低于所有的当地的、州的或联邦的监管要求。

附图的若干视图的简要描述

本发明的其他的特征和优点将参照附图在以下的优选的实施方案的详细描述中变得明显，在附图中：

图1是示出了本发明的系统的一个优选的实施方案的流程图；

图2是示出了本发明的系统的第二优选的实施方案的流程图；

图3是AMT反应器^TM的剖视图；

图4是AMT反应器^TM的详细的剖视图；

图5是本发明的系统的示意图；

图6是炬隔离阀的示意图；

图7A示出了矿石进料系统的实施方案的剖视图；

图7B示出了矿石进料系统的另一个实施方案的剖视图；

图8是第四室隔离阀的示意图；

图9是一般的等离子体炬的剖视图。

发明的详细描述

在下文参照附图更完全地描述本发明，本发明的优选的实施方案在附图中示出。然而，本发明可以以许多不同的形式来体现并且不应当被理解为限于本文阐明的实施方案；确切的是，提供这些实施方案，使得本公开内容将是充分的和完全的并且将完全地向本领域的技术人员传达本发明的范围。

在优选的实施方案中，本发明的系统包括AMT反应器^TM（10）、袋滤室（700）和废气系统（800）。在另一个实施方案中，本发明的系统包括AMT反应器^TM（10）、袋滤室（700）、废气系统（800）和二次熔融系统（900）。

AMT反应器 ^TM 。参照图3-5，AMT^TM反应器（10）包括第一室或进料室（100）、第二室或反应室（200）以及等离子体炬（300）。等离子体炬（300）经过进料室（100）进入反应室（200）。等离子体炬（300）具有活动端和非活动端，其中活动端是阳极端（参照图9）。活动端被放置入反应室（200）内。插入的深度是可变的并且取决于包括但不限于炬尺寸和AMT反应器^TM（10）尺寸的因素。

已知的方法用于冷却AMT反应器^TM（10）的每个部件；更具体地，AMT反应器^TM（10）部件通过将水和冷却剂循环经过冷却剂歧管来冷却。歧管由上文提到的专有的I/O系统控制。已知的方法用于向AMT反应器^TM（10）提供电力。等离子体炬是本领域中已知的。一般的等离子体炬在图9中示出。燃烧气体（burn gas）在阴极进入炬并且朝向电弧行进，成为等离子体，并且经过阳极喉离开。阴极在这种情况下是带正电的并且阳极是带负电的。二者彼此电隔离。将成为等离子体的导电性气体以将等离子体电弧伸展超出阳极喉部的速度引入，以在电弧返回并且在阳极的面上终结之前使正在被供入的矿石热反应。许多不同类型的燃烧气体已经与等离子体炬一起使用，包括空气、氧气、氮气、氢气、氩气、CH₄、C₂H₄和C₃H₆。

在优选的实施方案中，等离子体炬（300）具有其中燃烧气体与阳极和电极相切地被供入等离子体炬（300）中的类型。等离子体炬极性被设置为以非传递模式运行。在传递等离子体炬中，电弧从炬的阳极环路连接于具有负极性的“工件”。电弧的尺寸被阳极和“工件”之间的距离在尺寸上限制。非传递等离子体炬具有负极性和正极性二者。在AMT反应器中，电弧从电极环路连接于炬喷嘴并且不具有尺寸限制，因此矿石可以通过AMT反应器连续地处理。

在优选的实施方案中，进料室（100）成圆锥形形状，具有输入端（110）和输出端（120），其中输入端（110）具有比输出端（120）大的直径。输入端（110）具有在尺寸上足以接受等离子体炬（300）的直径，其中等离子体炬具有足以产生必需温度以引起矿石中的反应的尺寸。本领域的普通技术人员将知道，等离子体炬（300）的电压将变化，这取决于多种因素，包括但不限于被处理的矿石的类型以及AMT^TM反应器（10）的尺寸以及其他的因素。

在优选的实施方案中，进料室（100）的壁是成角度的。成角度的进料室（100）壁允许更多地控制矿石进入AMT反应器^TM（10）中的进料速度。例如，如果进料室（100）壁不是成角度的，那么具有较小密度的矿石可能不完全进入反应室（200）中。进料室（100）的壁以约60°成角度。然而，取决于AMT反应器^TM（10）尺寸和包括但不限于炬尺寸和矿石类型的其他因素，这种角度可以改变。

在优选的实施方案中，等离子体炬（300）使用氦气来激活。因为氦气是高成本的，所以一旦等离子体炬（300）已经被建立，那么其在氩气上运行。然而，应当注意，除了成本和温度考虑，任何已知的或未知的燃烧气体可以用于操作等离子体炬（300）。

参照图4-8，进料室（100）还包括矿石进料系统（550）。矿石进料系统包括至少一个进料斗（555）和螺旋进料机系统（580）。螺旋进料机系统包括螺旋输送机（556）和进料室阀（557）（在图7中示出）。最优地，矿石进料系统（550）具有至少两个进料斗（555），使得一个进料斗（555）可以被加载，同时另一个被排放入AMT^TM反应器（10）中。

为了将矿石输送至进料室（100），从所述至少一个进料斗（555）抽出氧气。所述至少一个进料斗（555）被载气回填充。当进料室阀（557）和螺旋输送机（556）在打开位置中时，进料矿石和气体经过进料室（100），经过至少一个进料管（101）进入反应室（200）而被输送至AMT反应器^TM（10）中。矿石进料系统（550）将进料矿石和载气沿着与等离子体炬（300）被插入AMT反应器^TM（10）中的相同的轴线输送。在优选的实施方案中，氮气用作载气。

参照图4-6，反应室（200）是在形状上大体上管状的并且包括输入端（210）和输出端（220）。反应室（200）的长度取决于多种因素，包括但不限于AMT反应器^TM（10）尺寸、等离子体炬（300）尺寸和矿石进料速度以及其他的。

进料室（100）的输出端（120）使用法兰（130）与反应室（200）的输入端（210）匹配。反应室（200）被石墨（230）径向地围绕。石墨（230）是隔热的并且然后被加热线圈（240）径向地围绕。在优选的实施方案中，加热线圈（240）是电感线圈（240）。石墨（230）被石墨隔热衬垫（231）径向地隔热并且然后被耐火内衬（未示出）径向地隔热。电感线圈（240）的目的是双重的：（a）以将反应器温度保持在相对恒定的水平；以及（b）以产生当矿石经过反应器时搅拌矿石的电磁场。在这种配置中，允许石墨根据需要膨胀或收缩。

在反应室（200）和石墨（230）之间的区域必须被密封以防止材料迁移至AMT反应器^TM（10）外部并且以保护电感线圈（240）不受将燃烧线圈的直接等离子体电弧。

反应室（200）的输出端（220）突出穿过耐火基部板（233）。电感线圈（240）由耐火基部板（233）支撑；耐火基部板（233）位于水冷基部板（234）上。这种配置允许反应室（200）根据需要膨胀。

等离子体炬（300）经过与炬隔离阀（320）匹配的炬密封壳体（310）进入反应室（200）（也见图6）。炬隔离阀（320）在其自身和反应室（200）之间以及在其自身和炬密封壳体（310）之间产生真空密封。炬密封壳体（310）由非导电材料制成。

这种配置将等离子体炬（300）与AMT反应器^TM（10）的其余部分电隔离。为了进行对等离子体炬（300）的维护，炬隔离阀（320）被密封以保持反应室（200）中的气氛，并且将等离子体炬（300）从AMT反应器^TM（10）提升出来。

进料室（100）和反应室（200）被第三室（500）包围。第三室（500）允许颗粒和气体排放入袋滤室（700）中。在优选的实施方案中，第三室（500）包括至少一个室门（530）。室门（530）允许进入维护。第三室（500）在形状上是管状的并且包括输入端（510）和输出端（520）。

为了操作AMT反应器^TM（10），使用真空泵从反应室（200）抽出空气，以产生低氧气环境。然后系统将真空泵与阀隔离。然后AMT反应器^TM（10）被惰性气体回填充以接近大气压力。然后等离子体炬（300）被点燃，并且进料矿石和气体的混合物被回填充入AMT反应器^TM（10）中。至少一个进料斗（555）被抽气以除去氧气。然后至少一个进料斗（555）被气体（优选地与燃烧气体相同的）回填充，将矿石经过进料管（101）推入AMT反应器^TM（10）中。

参照图7，在一个优选的实施方案中，至少一个进料管（101）简单地将矿石释放入反应室（200）中。参照图7B，在第二优选的实施方案中，至少一个进料管（101）具有延伸的长度，使得其将矿石输送至更接近于等离子体炬（300）。延伸的进料管（101）是可调节的并且是成角度的。角度相似于进料室（200）壁的角度；角度和长度取决于正在被处理的矿石的类型。

第三室（500）的输出端（520）包括至少一个骤冷环（quench ring）（550）。至少一个骤冷环（550）包括多个多重气体喷嘴。当处理过的矿石下降经过反应室（200）时，其经过骤冷环（550），在骤冷环（550）其被气体喷雾。优选地，骤冷气体是惰性气体。喷雾的目的是双重的：（a）雾化处理过的矿石；以及（b）冷却处理过的矿石。优选地，气体喷嘴指向至少一个骤冷环（550）的中心并且向下朝向第四室（600）的输出端（620）（在下文讨论）。

第四室（600）包括输入端（610）和输出端（620）。在优选的实施方案中，第四室是圆锥形形状的，其中输入端（610）具有大于输出端（620）的直径。第三室（500）的输出端（520）与第四室的输入端（610）匹配。第四室（600）的输出端（620）包括下部锥形隔离阀（540）（也见图8）。下部锥形隔离阀（540）允许装置保持低氧气环境，同时允许处理过的矿石被除去和收集入收集罐或料斗中。

袋滤室。如上文讨论的，来自AMT反应器^TM（10）的颗粒可以流动至袋滤室（700）。袋滤室（700）附接于第三室（500）。如上文讨论的，具有允许颗粒物质从AMT反应器^TM（10）流动至袋滤室（700）的负压。袋滤室（700）包括能够在气体进入废气系统（800）之前滤出矿石颗粒的至少一个过滤器。

废气系统。如上文讨论的，废气系统（800）在真空或低于大气压力下运行。这使气体从袋滤室（700）流动至废气系统（800）。废气系统（800）使用已知的方法过滤在将中性气体释放入大气中之前从AMT反应器^TM（10）接收的硫和其他的有害气体。

二次熔融系统。在某些情况下，甚至在经过AMT反应器^TM（10）处理矿石之后，有价值的金属可能仍然难以提取。在这种情况下，矿石经过二次熔融系统（900）处理。该系统可以是例如感应加热系统或熔炉。

过程优化。为了本发明的系统最优地起作用，进料矿石以细粒度和在0-20%之间的湿度水平被输送入进料室（100）中。具有高水分含量的矿石将结团在一起。结团的矿石是较重的并且过于迅速地下降经过反应室（200），并且因此矿石悬浮时间被减少。高水分含量也使AMT反应器^TM（10）消耗品例如炬头更迅速地烧尽。

反应室（200）通过从反应室（200）除去氧气而被准备用于处理矿石。这通过使用抽真空系统来进行。在优选的实施方案中，一旦反应室（200）中的压力达到接近0磅/平方英寸(绝对压力)（psia），反应室（200）就被燃烧气体回填充。最优地，AMT反应器^TM（10）在约0-2psia下运行。在优选的实施方案中，反应室（200）被保持在约3000℉，其中等离子体炬在约25,000℉下运行。这些参数可以变化，这取决于AMT反应器^TM（10）尺寸、矿石的类型和进料速度。

Claims (4)

1.一种用于处理矿石的系统，包括：

(a)反应器，其包括具有用于适应等离子体炬的进入的第一开口的室，其中所述等离子体炬以非传递模式操作；

其中所述炬具有活动端和非活动端；

其中所述炬以所述活动端延伸入所述室中并且远离所述第一开口的定向被操作性地定位穿过所述第一开口，并且所述非活动端被固定在所述室中在紧邻于所述第一开口处；

其中所述室还包括接近所述第一开口的用于具有进入所述室中的受约束的路径的矿石和载气的进入的第二开口，所述第二开口紧邻于所述第一开口；所述矿石和载气的所述路径沿着相对于所述等离子体炬的长轴的相同的轴线；

其中所述室被电感线圈径向地围绕，所述电感线圈输送产生磁场的高频交流电并且辅助控制反应器温度，所述磁场在矿石经过所述反应器时搅拌所述矿石；

(b)袋滤室，其中所述袋滤室包括多个过滤器以捕获颗粒矿石；

(c)废气系统，其中所述废气系统包括过滤系统以除去离开所述反应器和所述袋滤室的有毒气体。

2.根据权利要求1所述的用于处理矿石的系统，还包括二次熔融系统。

3.根据权利要求1所述的用于处理矿石的系统，还包括输入/输出系统，所述输入/输出系统连续地监测所述系统的温度和气体，防止有毒的化学物、有毒的气体和有毒的水释放到环境中。

4.一种使用根据权利要求1所述的系统处理矿石的方法，包括：

(a)抽出所述室的空气；

(b)点燃所述等离子体炬；

(c)将交流电施加于所述电感线圈；

(d)使用所述矿石和载气的混合物回填充所述反应器。