CN114934189A - 一种可连续提炼贵金属的等离子体加热提炼炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可连续提炼贵金属的等离子体加热提炼炉，涉及等离子体冶金技术领域，一种可连续提炼贵金属的等离子体加热提炼炉，其特征在于：包括炉体、上盖、螺旋送料机、等离子发射电极、出料管、感应加热线圈和高压气体喷管，炉体内存有熔融态捕集金属、熔融态渣料和固态待熔物料，上盖固连在炉体顶部，螺旋送料机固连在上盖的进料口处，若干个等离子发射电极间隔穿过上盖插入炉体内；出料管固连在炉体底部，感应加热线圈固连在出料管内，若干个高压气体喷管在出料管外以使高压气体将出料管流出的熔融态捕集金属冷却成固态粉状颗粒，本发明具有可以大幅度降低对炉体及电源大小的要求，减少设备的投资成本的优点。

Description

一种可连续提炼贵金属的等离子体加热提炼炉

技术领域

本发明涉及等离子体冶金技术领域，尤其涉及一种可连续提炼贵金属的等离子体加热提炼炉。

背景技术

铂族贵金属PGM(Pt、Pd、Rh)大量用于汽车尾气净化催化剂，随着工业、汽车产业的快速发展，对PGM的需求量也日益增加，报废的汽车催化剂成为了PGM最重要的二次资源，其回收利用显得尤为重要。PGM的回收技术，主要有湿法和火法两大类。湿法有载体溶解法、活性组分溶解法、全溶法和加压氰化法等，特点是技术简单、成本低、流程短，是常见的PGM的回收方法，主要缺点是浸出率不够稳定，回收率偏低。火法有等离子体熔炼、金属捕集、干式氯法等，优点是处理能力大，废水废气少，PGM回收率高，但也存在投资大、能耗成本高、回收周期长等问题。

用等离子体熔炼失效汽车催化剂，富集回收PGM是20世纪80年代中期出现的技术。它利用等离子体产生的极高温度(可达2000℃以上)使Al₂O₃和堇青石在等离子体反应炉中直接熔化，再利用Fe、Cu等金属作为PGM捕集剂，形成合金沉淀。由于合金与渣的密度相差较大，极易分离，后续再用湿法对合金进行提纯。用这种方法可以达到90％以上的PGM回收率。

等离子体加热技术应用与贵金属提脸上存在的主要问题是设备投资大，能耗高。具体表现在现有等离子体炼炉缺乏连续作业机制，虽然加料过程可以使用螺旋进料等阶段连续进料手段，但合金金属出料和出渣等过程无法连续，需要停止加热，采用倾倒的方式出料。这造成炉温即物料状态的答复波动，热能损耗大，工况和提纯效果不稳定。同时，这种生产方式使得产量受设备单次处理能力制约，要提高产量，降低成本，势必需要更大的炉体、更大功率的电源，及更高要求的配套设施，这就造成了设备投资大的问题。

因此，针对以上不足，需要提供一种可连续提炼贵金属的等离子体加热提炼炉。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决现有的等离子体加热技术能耗高投资大的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种可连续提炼贵金属的等离子体加热提炼炉，包括炉体、上盖、螺旋送料机、等离子发射电极、出料管、感应加热线圈和高压气体喷管，炉体内存有熔融态捕集金属、熔融态渣料和固态待熔物料，上盖固连在炉体顶部，螺旋送料机固连在上盖的进料口处，若干个等离子发射电极间隔穿过上盖插入炉体内；出料管固连在炉体底部，感应加热线圈固连在出料管内以使已凝固的固态捕集金属转为熔融态捕集金属，若干个高压气体喷管沿圆周间隔分布在出料管外以使高压气体将出料管流出的熔融态捕集金属冷却成固态粉状颗粒。

作为对本发明的进一步说明，优选地，等离子发射电极上施加直流电压且分正负极；炉体内物料由下至上分别是熔融态捕集金属、熔融态渣料和固态待熔物料，等离子发射电极与固态待熔物料之间具有间距。

作为对本发明的进一步说明，优选地，上盖靠近螺旋送料机一侧底部固连有板状的挡料板，挡料板底部与熔融态渣料液面距离为5～20cm。

作为对本发明的进一步说明，优选地，炉体远离螺旋送料机一侧的底部固连有板状的熔融合金挡板，熔融合金挡板顶部伸出熔融态捕集金属的液面。

作为对本发明的进一步说明，优选地，上盖另一侧底部固连有熔融渣料挡板，熔融渣料挡板位于熔融合金挡板远离挡料板的一侧，熔融渣料挡板与熔融合金挡板之间具有间距，熔融渣料挡板底部高度低于熔融合金挡板顶部高度。

作为对本发明的进一步说明，优选地，熔融渣料挡板远离熔融合金挡板一侧面上固连有加热板以使固化的炉渣熔融。

作为对本发明的进一步说明，优选地，出料管包括上套管、下套管和中分柱，炉体底部固连有连接管，上套管螺纹连接在连接管端口部，下套管套在上套管下部且与上套管螺纹连接，上套管和下套管套接处设有空腔，环状的感应加热线圈嵌入空腔内；中分柱架设在下套管内腔中部，中分柱外径小于上套管内腔内径。

作为对本发明的进一步说明，优选地，下套管内呈放射状间隔固连有若干根金属制的连接杆，中分柱固连在连接杆放射中心处，中分柱长度方向竖直且顶部为圆锥状，中分柱为实心柱或底部开口的空心柱。

作为对本发明的进一步说明，优选地，感应加热线圈内圈面与上套管外壁面抵接，空腔位于感应加热线圈外圈面嵌有隔温层，隔温层填充除感应加热线圈外的空腔。

作为对本发明的进一步说明，优选地，高压气体喷管喷射方向相交于出料口正下方且相交点距出料口介于2～8cm。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明提出一种采用等离子体加热提炼贵金属的炉体结构及相关设备配置，既能实现连续进料、连续出渣、连续出合金金属料，也能按要求随时中断进、出料，设备在运行过程中炉内能够保持物料平衡、热量平衡，无需停炉出料，从而大大降低了工作过程中的能量散失，提高了能量使用效率。

附图说明

图1是本发明的外观图；

图2是本发明的仰视图；

图3是图2中A的放大图；

图4是本发明的流道结构图；

图5是本发明的截面图；

图6是图5中B的放大图。

图中：1、炉体；11、挡料板；12、熔融合金挡板；13、熔融渣料挡板；14、加热板；15、出渣口；16、流道；17、连接管；2、上盖；3、螺旋送料机；4、等离子发射电极；5、出料管；51、上套管；52、下套管；53、中分柱；54、连接杆；6、感应加热线圈；7、高压气体喷管；8、熔融态捕集金属；81、熔融态渣料；82、固态待熔物料。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种可连续提炼贵金属的等离子体加热提炼炉，结合图1、图6，包括炉体1、上盖2、螺旋送料机3、等离子发射电极4、出料管5、感应加热线圈6和高压气体喷管7，炉体1内存有熔融态捕集金属8、熔融态渣料81和固态待熔物料82，上盖2固连在炉体1顶部，螺旋送料机3固连在上盖2的进料口处以向炉体1内导入固态待熔物料82，若干个等离子发射电极4间隔穿过上盖2插入炉体1内，以使固态待熔物料82熔化为熔融态捕集金属8和熔融态渣料81；出料管5固连在炉体1底部以使熔融态捕集金属8通过出料管5流出炉体1外，感应加热线圈6固连在出料管5两侧，若干个高压气体喷管7架设在出料管5两侧以使高压气体将出料管5流出的熔融态捕集金属8冷却成固态粉状颗粒。

结合图4、图5，炉体1为倒梯形结构，也可以设为如圆形桶状、长方形槽状等，其底部有一定的弧度或坡度，确保熔融态合金能够在炉体1底部聚集并排出。其次，炉体1内腔最低处还开设有倾斜的流道16，流道16最低处的炉体1固连有连接管17，连接管17伸出炉体1底部，可确保熔融态合金能通过流道16的进一步汇集完全流向连接管17。上盖2覆盖在炉体1顶部具有密闭保温、保护炉内气氛等多种功效。上盖2靠近螺旋送料机3一侧底部固连有板状的挡料板11，挡料板11底部与熔融态渣料液面距离为5～20cm，其作用是阻挡物料直接在炉内铺开或堆积，从而造成不能稳定起弧或断弧的状况，在挡料板11的阻挡下，即使在进料的状态下，固态待熔物料82也不会在弧区聚集，而是均匀地扩散并熔入熔融态捕集金属8和熔融态渣料81中，保证了等离子体加热工况的稳定。

如图5所示，炉体1远离螺旋送料机3一侧的底部固连有板状的熔融合金挡板12，熔融合金挡板12顶部伸出熔融态捕集金属8的液面。上盖1另一侧底部固连有熔融渣料挡板13，熔融渣料挡板13位于熔融合金挡板12远离挡料板11的一侧，熔融渣料挡板13与熔融合金挡板12之间具有间距，熔融渣料挡板13底部高度低于熔融合金挡板12顶部高度。炉体1靠近熔融渣料挡板13一侧开设有出渣口15，出渣口15高度高于熔融渣料挡板13底端高度。熔融渣料挡板13靠近出渣口15一侧固连有加热板14。设置熔融合金挡板12和熔融渣料挡板13使物料流动呈S弯结构，确保出渣口15处没有熔融合金。而且熔融渣料挡板13和炉体1之间形成出渣区域，由于出渣区距离炉内热源较远且中间有熔融渣料挡板13隔热，设置加热板14可进行补偿加热，避免出现炉渣凝固的现象。另外还可在出渣口15处架设水冷履带式连续震动出渣机，其具有水冷机制且炉内部分与熔融炉渣接触，水冷履带式连续震动出渣机上有履带结构，能够持续转动并带有一定强度的震动，由于履带温度较低，熔融炉渣在其附近迅速凝固并被带出炉体，通过震动脱落从而实现连续炉渣出料。

如图5所示，等离子发射电极4上施加直流电压且分正负极，其中可以是一正一负两电极配置，也可以一正两负三电极配置，或者多正多负多电极配置。施加电压后等离子发射电极4通过无底电极发或有底电极法产生等离子体焰炬，对炉内物料进行加热。因物料成分中含有捕集金属粉末，通常为Fe、Cu等金属粉末，受热熔融后形成熔融态捕集金属8，由于其比重较大，熔融后沉于炉底。物料主要成分为经粉碎的待提炼料，其成分是γ-Al₂O₃或堇青石颗粒料，含质量比1-2‰的铂系贵金属纳米颗粒。此外，还有部分造渣料参与反应，使得γ-Al₂O₃或堇青石更便于与贵金属颗粒分离。待提炼料和造渣料反应后形成比重较轻的熔融态渣料81，而其中的贵金属纳米颗粒由于比重较大，且与熔融态捕集金属8有较好的亲和性，因此被熔融态捕集金属8捕获形成熔融态的合金，此时炉体1内物料由下至上分别是熔融态捕集金属8、熔融态渣料81和固态待熔物料82，其中等离子发射电极4与固态待熔物料82之间具有间距，确保等离子发射电极4能正常起弧。

结合图4、图6，出料管5包括上套管51、下套管52和中分柱53，上套管51、下套管52和中分柱53均由耐高温金属制成，其最高耐热温度至少可达1500℃。上套管51螺纹连接在连接管17端口部，下套管52套在上套管51下部且与上套管51螺纹连接，上套管51和下套管52套接处设有空腔，环状的感应加热线圈6嵌入空腔内。中分柱53架设在下套管52内腔中部，中分柱53外径小于上套管20内腔内径。感应加热线圈6内圈面与上套管51外壁面抵接，空腔位于感应加热线圈6外圈面嵌有隔温层，隔温层可采用硅化物纤维制造的耐高温隔热棉，隔温层填充除感应加热线圈6外的空腔。隔温层的加装可使感应加热线圈6的热量尽可能导向熔融态捕集金属8处，减少能量损耗。

由于出料管5具有一定长度和温度梯度，在等离子发射电极4对物料的加热过程中，熔融态捕集金属8向下沉积，由于距离热源较远，则位于出料管5处的熔融合金会出现自行凝固的现象，使得出料管5内腔堵塞，不能自动出料，进而能使上层的固态待熔物料能受到等离子发射电极4的充分加热。而需要进行连续出料时，则可开启感应加热线圈6，此时感应加热线圈6的热量将自行凝固的熔融态捕集金属8转变为熔融态，恢复流动性，熔融态的物料通过下套管52形成柱流状流出炉体1外，采用此种方式可在不倾倒炉子的情况下实现可控出料。

结合图4、图6，下套管52内呈放射状间隔固连有四根金属制的圆柱状连接杆54，实心的连接杆54直径不小于10mm。中分柱53固连在连接杆54放射中心处，中分柱53长度方向竖直且顶部为圆锥状，中分柱53为实心柱或底部开口的空心柱。设置中分柱53可将熔融态捕集金属8分流至更为靠近感应加热线圈6，再后续加热时能使已凝固的熔融态捕集金属8充分受热熔化，结合结构较粗的连接杆54既能使中分柱53承压，又能起到良好的导热作用，使中分柱53能从已凝固的熔融态捕集金属8中部进行额外的加热，避免熔融态捕集金属8小颗粒未熔化即向外流出，影响成品粉末的质量。相比直接加装耐高温的阀门，采用该方式因其可以循环利用，基本无消耗。

结合图3、图6，环绕在出料管5底部管口外的高压气体喷管7喷射方向相交于出料管5底部管口正下方且相交点距出料口介于2～8cm。高压气体喷管7喷射不含氧元素的气体，优选氦气。气体压力最高可达17.3MPa，若出料管5下方的空间密封且不含氧气，还可通入一氧化碳气体，以还原熔融态捕集金属8内的氧化物，尽可能多的获得金属单质，以便于后续的提纯分离工作更好进行。而且在开启感应加热线圈6后，熔融合金能够持续流出炉体1，然后在高压气体喷管7的输出气体的剪切和挤压作用，金属液流细化并发生层流纤维化的过程，当金属液滴离开有效雾区后，底液外压极具减小，由于液滴内外压力不平衡可使其自激破碎，实现金属的粉化，而本申请结合高压气体喷管7的排布、气体压力以及喷气相交点的位置，可使从出料管5流出的熔融合金柱流体固化为微米级的球形金属粉末，为后续的贵金属提纯处理提供了方便。

综上所述，本发明采用等离子体加热提炼贵金属的炉体1结构及相关设备配置，既能实现连续进料、连续出渣、连续出合金金属料，也能按要求通过启动或关闭感应加热线圈6来实现随时中断进、出料，设备在运行过程中炉内能够保持物料平衡、热量平衡，无需停炉出料，从而大大降低了工作过程中的能量散失，提高了能量使用效率。而且通过使用固态捕集金属83直接替代原有的耐高温阀门，节约购置成本和维护成本。更重要的是，采用这种工作机制后，炉体1容量及电源容量的设计依据主要是运行中物料平衡和能量平衡，而不是单次可处理的物料量，从而可以大幅度降低对炉体及电源大小的要求，减少设备的投资成本，降低技术的复杂性。

而且相比现有的先化学方式(例如先酸洗或其他的反应)处理，去除一部分杂质，把贵金属含量提高到一定的富集度，然后再用后续手段进行提纯。采用的技术路线是湿法提炼，或湿法+火法提炼。本申请仅采用不同于一般的火法，使用等离子加热实现连续化熔炼，此为现有技术显然不具备的特点。另外本发明采用了熔渣、捕集金属的分流。利用熔渣、捕集金属的比重不同，通过隔板对固态熔渣、熔融态熔渣、熔融金属进行了分流处理。其次，熔渣、金属有不同的处理口和出料方式，都能做到在不停炉、不倾倒的状况下，连续出料并可控。最后在金属出料的同时直接进行金属粉末雾化，形成可进一步提炼的金属微米粉末，明显优于现有技术。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种可连续提炼贵金属的等离子体加热提炼炉，其特征在于：包括炉体(1)、上盖(2)、螺旋送料机(3)、等离子发射电极(4)、出料管(5)、感应加热线圈(6)和高压气体喷管(7)，炉体(1)内存有熔融态捕集金属(8)、熔融态渣料(81)和固态待熔物料(82)，上盖(2)固连在炉体(1)顶部，螺旋送料机(3)固连在上盖(2)的进料口处，若干个等离子发射电极(4)间隔穿过上盖(2)插入炉体(1)内；出料管(5)固连在炉体(1)底部，感应加热线圈(6)固连在出料管(5)内以使已凝固的固态捕集金属转为熔融态捕集金属(8)，若干个高压气体喷管(7)沿圆周间隔分布在出料管(5)外以使高压气体将出料管(5)流出的熔融态捕集金属(8)冷却成固态粉状颗粒。

2.根据权利要求1所述的一种可连续提炼贵金属的等离子体加热提炼炉，其特征在于：等离子发射电极(4)上施加直流电压且分正负极；炉体(1)内物料由下至上分别是熔融态捕集金属(8)、熔融态渣料(81)和固态待熔物料(82)，等离子发射电极(4)与固态待熔物料(82)之间具有间距。

3.根据权利要求2所述的一种可连续提炼贵金属的等离子体加热提炼炉，其特征在于：上盖(2)靠近螺旋送料机(3)一侧底部固连有板状的挡料板(11)，挡料板(11)底部与熔融态渣料(81)液面距离为5～20cm。

4.根据权利要求3所述的一种可连续提炼贵金属的等离子体加热提炼炉，其特征在于：炉体(1)远离螺旋送料机(3)一侧的底部固连有板状的熔融合金挡板(12)，熔融合金挡板(12)顶部伸出熔融态捕集金属(8)的液面。

5.根据权利要求4所述的一种可连续提炼贵金属的等离子体加热提炼炉，其特征在于：上盖(2)另一侧底部固连有熔融渣料挡板(13)，熔融渣料挡板(13)位于熔融合金挡板(12)远离挡料板(11)的一侧，熔融渣料挡板(13)与熔融合金挡板(12)之间具有间距，熔融渣料挡板(13)底部高度低于熔融合金挡板(12)顶部高度。

6.根据权利要求5所述的一种可连续提炼贵金属的等离子体加热提炼炉，其特征在于：熔融渣料挡板(13)远离熔融合金挡板(12)一侧面上固连有加热板(14)以使固化的炉渣熔融。

7.根据权利要求6所述的一种可连续提炼贵金属的等离子体加热提炼炉，其特征在于：出料管(5)包括上套管(51)、下套管(52)和中分柱(53)，炉体(1)底部固连有连接管(17)，上套管(51)螺纹连接在连接管(17)端口部，下套管(52)套在上套管(51)下部且与上套管(51)螺纹连接，上套管(51)和下套管(52)套接处设有空腔，环状的感应加热线圈(6)嵌入空腔内；中分柱(53)架设在下套管(52)内腔中部，中分柱(53)外径小于上套管(51)内腔内径。

8.根据权利要求7所述的一种可连续提炼贵金属的等离子体加热提炼炉，其特征在于：下套管(52)内呈放射状间隔固连有若干根金属制的连接杆(54)，中分柱(53)固连在连接杆(54)放射中心处，中分柱(53)长度方向竖直且顶部为圆锥状，中分柱(53)为实心柱或底部开口的空心柱。

9.根据权利要求8所述的一种可连续提炼贵金属的等离子体加热提炼炉，其特征在于：感应加热线圈(6)内圈面与上套管(51)外壁面抵接，空腔位于感应加热线圈(6)外圈面嵌有隔温层，隔温层填充除感应加热线圈(6)外的空腔。

10.根据权利要求9所述的一种可连续提炼贵金属的等离子体加热提炼炉，其特征在于：高压气体喷管(7)喷射方向相交于出料口(52)正下方且相交点距出料口(52)介于2～8cm。

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