JP5395312B2 - 鉱石体の熱処理システムと方法 - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）適用なし
（政府援助の研究開発に関する陳述）適用なし
（コンパクトディスクで送付した事項に関する参照による引用）適用なし
本明細書で開示する本発明システムは鉱石から金属を抽出するための改良されたシステムに関する。

鉱石とは、価値ある成分、特に少なくとも１つの金属が抽出可能な対象の鉱物あるいは鉱物の集合体と規定する。金属から、不要な有機物、鉱物またはその他の無機物材料を分離するために鉱石を処理しなくてはならない。鉱石は、処理されてから、金属を分離するために精錬してもよい。例えば、灰吹き法は、鉛から銀を分離するために使われる精錬方法である。この明細書で使われる複合鉱石とは、金属の有機物無機物集合材料に対する構成比が低い鉱石、または金属を有機物無機物集合材料から分離するのが困難な鉱石のことを意味する。

公知の処理方法は石灰および／またはシアン化合物を鉱石スラリーにさらすことまたはその他の同様の浸出処理を含む。これらの方法は複合鉱石を扱う場合、非効率的でかつ費用がかかる。その結果、複合鉱石中の金属を抽出することが出来ない。たとえ公知の鉱石処理方法が効率的で安価でも、これらの方法は環境に有害である。これらの方法は有害なガス、化学物質および未処理の水を環境中に放出する。公知の方法はまた大量のエネルギー入力を必要となる場合がある。

本明細書に記述した本発明システムは複合鉱石を効果的にかつ安価に処理するために使用される方法と装置を提供する。本発明システムはまた次の条件下で「環境に優しい」。
（１）大気放出は、郡、州、連邦政府の現在の規制値に合致しているかまたは著しく下回っている。
（２）工程用水は利用可能な最高の管理技術（ＢＡＣＴ）で処理し廃棄して、地域の下水システムへの放出を許可される。
（３）電源はより効率的に使用されるように調整されている。

金属の再生を可能にするために、鉱物の物理的、化学的変換をもたらすために、鉱物や冶金鉱石、濃縮物などを熱処理することは知られている。そのような処理によって、純粋金属、中間化合物、さらに精錬するための供給物として適している合金などの売れる製品を作りだすことが出来る。プラズマ環境は、金属を精錬するための熱処理を促進するための高温を提供することが出来るという事実は知られている。例えば、プラズマ環境は鉄スラグを純粋鉄に変換するために使われてきた。特に、低温プラズマトーチは、処理された鉱石の熱的、物理的変化を誘導するために使われてきた。処理された鉱石は一般的にるつぼの中に置かれて加熱される。このタイプのシステムは、加熱炉と考えることが出来る。

加熱炉環境では、単に熱を加えただけでは、有機物無機物集合材料を取り除くことは出来ない。通常、鉱石を処理出来る環境を創り出すために、環境的に有害な化学物質を加えなくてはならない。

プラズマ反応炉を使用して鉱石を処理するためには、いくつかの問題を考えなくてはならない。第一に、供給鉱石は溶融やその他の反応を起こすのに十分な時間の間、プラズマトーチで作り出した高温にさらすことが非常に重要である。第二には、トーチの消耗部品は高い欠陥率と高い非能率性を示している。第三には、高温は従来技術の反応炉の壁に欠陥を発生させることが知られている。第四に、従来技術の反応炉は工業的効率で稼働出来ない。工業的効率で鉱石を処理するためには次の条件が必要である。（ａ）短時間に数百ポンドの鉱石を処理出来る反応炉。（ｂ）一定の反応炉温度。（ｃ）プラズマトーチとその他の反応炉部品の低い欠陥率と低い材料破損率。（ｄ）簡単に点検し易い反応炉部品。第五として、処理した鉱石を能率良く回収出来ることは重要である。最後に、公知の反応炉は、エネルギーの観点から効率的ではない。

本発明システムは複合鉱石を処理するためにプラズマトーチと誘導加熱を結合したユニークな構成で、不要な有機物無機物物質を取り除いて、有害な化学物質もガスも環境に排出しないで、工業的効率で金属だけを残すような構成を提供する。本発明システムは、概して、図１、２に図示されている。しかし、本発明システムは多くの異なる形態で実現され、この明細書に規定される実施形態に限定されると考えるべきではないことを認識しておく必要がある。

図１を参照すると、第一実施形態によれば、本発明システムはＡＭＴ反応炉（登録商標）（１０）と、バッグハウス（７００）と、排気システム（８００）とから成っている。鉱物は（１）で本発明システムに入り、ＡＭＴ反応炉（登録商標）（１０）によって処理される。最も簡単なケースでは、処理された鉱物は、（２）において、本発明システムから取り除かれる。

鉱石がＡＭＴ反応炉（登録商標）（１０）を通って処理されると、鉱石は炭素、硫黄、酸素、およびそれらが様々に組み合わさったガスを放出する。ガスが（３）に於いて、ＡＭＴ反応炉（登録商標）（１０）を出ると、より低い密度を有する鉱石微粒子は高温バッグハウス（以降、バッグハウス）（７００）に吸引されてもよい。バッグハウス（７００）は、鉱石微粒子を補足するために複数のフィルタから構成されている。バッグハウス（７００）に入った鉱石微粒子のある部分は金属を含んでいるので、回収された鉱石微粒子は、不要な材料を取り除くために化学的に処理されてもよい。好ましい実施形態に於いて、化学的処理（５０）は酸または塩基処理であってよい。

ガスはバッグハウス（７００）から排気システム（８００）に移動し続ける。排気システム（８００）は、ＡＭＴ反応炉（登録商標）（１０）からのプロセスガスを捕捉し清浄にする。排気システム（８００）は、真空または大気圧以下で稼働して、その結果、プロセスガスはＡＭＴ反応炉（登録商標）（１０）から排気システム（８００）に移動する。

図２を参照すると、第二実施形態によれば、本発明システムは更に第二溶融システム（９００）から構成される。時々、金属が、ＡＭＴ反応炉（登録商標）（１０）で完全には処理できないほど、不要な有機物無機物材料の中に存在する場合がある。そのような場合も、鉱石は第二溶融システム（９００）を通して処理される。第二溶融システムは、第二ＡＭＴ反応炉（登録商標）（１０）または、例えば、伝導コイルであってよい。第二溶融システム（９００）が使われていても、目的の金属は、（７）に於いて、第二溶融システム（９００）を離れる時に、依然、不要な有機物無機物材料に被われている場合がある。残存する不要な有機物無機物材料を取り除くために、その鉱石はさらに化学処理装置（５０）で処理される。

上記実施形態及びそれらの明らかなる変形である実施形態に於いて、本発明システムの構成要素は高温導管によってお互いに取り付けられている。実施形態に拘わらず、本発明システムは、鉱石の供給速度から、排気システム（８００）を通して放出されるガスのタイプまでのあらゆることを管理するために、専有入出力システムを使用する。入出力制御システムは、バッグハウス（７００）と排気システム（８００）を通して、ＡＭＴ反応炉（登録商標）（１０）に入る流速を同時に測定する。ＡＭＴ反応炉（登録商標）（１０）は、即座に環境を調整するので、ガスやその他の毒素が環境に放出される前に適切に処理される。その結果、有毒ガスと放出材料の放出量は綿密にモニターされて、放出された有毒ガスと材料はすべて適切に処理され、すべての地方、州、連邦政府の規制要求値に合致するかまたはそれ以下となる。

本発明のその他の特徴と効果は、以下の添付した図面を参考にした好ましい実施形態の詳細な記述に明らかになる。

本発明の好ましい実施形態を示すフローチャートである。 本発明の好ましい第二実施形態を示すフローチャートである。 ＡＭＴ反応炉（登録商標）の断面図である。 ＡＭＴ反応炉（登録商標）の詳細な断面図である。 本発明の概略図である。 トーチ分離バルブの概略図である。 鉱石供給システムの別の実施形態の断面図である。 鉱石供給システムの別の実施形態の断面図である。 第四室分離バルブの概略図である。 一般的なプラズマトーチの断面図である。

以降、本発明は、その好ましい実施形態が示されている添付された図面を参考にして、より完璧に記述される。しかし、本発明は多くの異なる形態で実施されてもよく、ここに記述された実施形態に限定されると解釈されるべきではなく、むしろ、これらの実施形態は本開示が完璧であり完結するように提供されているのであって、本発明の範囲を当業者に完全に伝えることになるだろう。

好ましい実施形態によれば、本発明のシステムはＡＭＴ反応炉（登録商標）（１０）と、バッグハウス（７００）と、排気システム（８００）とから構成される。別の実施形態によれば、本発明のシステムは、ＡＭＴ反応炉（登録商標）（１０）と、バッグハウス（７００）と、排気システム（８００）と、第二溶融システム（９００）とから構成されている。

ＡＭＴ反応炉（登録商標）：ＡＭＴ反応炉（登録商標）（１０）は第一室または供給室（１００）と、第二室または反応室（２００）と、プラズマトーチ（３００）から構成されている。プラズマトーチ（３００）は、供給室（１００）を通って反応室（２００）に入る。プラズマトーチ（３００）は能動的端部と非能動的端部を有しており、この場合、能動的端部は陽極端部（図９を参照）である。能動的端部は、反応室（２００）の中に置かれる。挿入深さは可変で、トーチサイズやＡＭＴ反応炉（登録商標）（１０）の大きさを含む要素に依って決まるがこれらに限定される訳ではない。

ＡＭＴ反応炉（登録商標）（１０）の各々の構成要素を冷却するために公知の方法が使われる。特に、水と冷却液を、冷却液連結管を通して循環させることによってＡＭＴ反応炉（登録商標）（１０）の構成要素を冷却する。連結管は上記の専有入出力システムによって制御されている。ＡＭＴ反応炉（登録商標）（１０）に電力を供給するために公知の方法が使われる。プラズマトーチは当技術分野では公知である。一般的なプラズマトーチは、図９に示されている。燃焼ガスは陰極でトーチに入り、電気アークに向かって移動してプラズマになり、陽極管を通って出ていく。陰極は、この場合、プラスに帯電しており、陽極はマイナスに帯電している。この二つの極はお互いに電気的に絶縁されている。プラズマになる導電性ガスは、プラズマアークを陽極管を超えて展開する速度で導入され、アークが途中で戻ってきて陽極の面上で終る前に、供給される鉱石を熱反応させる。多くの異なったタイプの燃焼ガスが、空気、酸素、窒素、水素、アルゴン、ＣＨ_４，Ｃ_２Ｈ_４，Ｃ_３Ｈ_６を含むプラズマトーチと一緒に使われてきた。

好ましい実施形態によれば、プラズマトーチは、燃焼ガスが、陽極電極に対して正接するように、プラズマトーチ（３００）に供給されるタイプのトーチである。プラズマトーチの極性は非転移モードで稼働するように設定されている。転移モードのプラズマトーチでは、アークはトーチの陽極からマイナス極性を有する「加工対象物」にループを描く。アークサイズは陽極と「加工対象物」の間の距離によって制限される。非移転プラズマトーチはマイナスとプラスの極性の両方を有している。ＡＭＴ反応炉では、アークは電極からトーチノズルまでループを描き、サイズの制限はないため、鉱石はＡＭＴ反応炉を通過中に連続的に処理される。

好ましい実施形態によれば、供給室（１００）は円錐形をしており、入力端（１１０）と出力端（１２０）を有しており、入力端（１１０）の直径は出力端（１２０）よりも大きい。入力端（１１０）はプラズマトーチ（３００）を受け入れるのに十分な直径を有しており、プラズマトーチは鉱石に反応を起こすのに必要な温度を作るために十分なサイズである。当業者ならプラズマトーチ（３００）の電圧は処理される鉱石のタイプやＡＭＴ（登録商標）（１０）のサイズなどの要素、これらに限定される訳ではないが、これらの様々な要素によって変化することが自然に分かるだろう。

好ましい実施形態によれば、供給室（１００）の壁は角度を付けて曲げられている。角度を付けた供給室（１００）はＡＭＴ（登録商標）（１０）の中へ入れる鉱石供給速度をより制御し易くしている。例えば、より低い密度の鉱石は、もし供給室（１００）の壁が角度を付けてなければ、反応室（２００）に適切に入れない可能性がある。供給室（１００）の壁は約６０度の角度が付けてある。しかし、ＡＭＴ（登録商標）（１０）のサイズと、トーチサイズと鉱石のタイプ（こらに限定される訳ではないが）を含むその他の要素によってこの角度は変化してもよい。

好ましい実施形態によれば、プラズマトーチ（３００）はヘリウムを使用して稼働する。ヘリウムは価格が高いので、プラズマトーチ（３００）はすでに設置されている以上、プラズマトーチはアルゴンで稼働する。しかし、コストや温度を考慮しなければ、どのような公知の燃焼ガスもあるいは公知でない燃焼ガスもプラズマトーチを操作するために使用してもよい。

図４乃至８を参照すると、供給室（１００）は更に１つの鉱石供給システム（５５０）を有している。鉱石供給システムは少なくとも１つの鉱石供給ホッパー（５５５）とスクリュー供給システム（５８０）を有している。スクリュー供給システムはスクリューコンベヤ（５５６）と供給室バルブ（５５７）（図７に示す）を有している。好ましくは、鉱石供給システム（５５０）は少なくとも２つの供給ホッパー（５５５）を有しており、１つの供給ホッパーはＡＭＴ（登録商標）（１０）の上に搭載することが可能で、もう１つの供給ホッパーはＡＭＴ（登録商標）（１０）の中に解放されている。

鉱石を供給室（１００）に送るために、酸素を少なくとも１つの供給ホッパー（５５５）から吸引する。そして、その少なくとも１つの供給ホッパー（５５５）は代わりに搬送ガスで満たされる。供給室バルブ（５５７）とスクリューコンベヤ（５５６）がオープン状態の時、供給鉱石とガスは供給室（１００）を通って、ＡＭＴ反応炉（登録商標）（１０）に送られて、少なくとも１つの供給管（１０１）を通り反応室（２００）に入る。鉱石供給システム（５５０）は、プラズマトーチ（３００）がＡＭＴ反応炉（登録商標）（１０）に挿入される時と同じ中心軸に沿って供給鉱石と搬送ガスを送る。好ましい実施形態では、窒素が搬送ガスとして使われる。

図４乃至６を参照すると、反応室（２００）は、概して管状であって、入力端（２１０）と出力端（２２０）を有している。反応室（２００）の長さは、ＡＭＴ反応炉（登録商標）（１０）のサイズ、プラズマトーチ（３００）のサイズ、及び鉱石供給速度など、これらに限らないが、これらを含む様々な要素によって決まる。

供給室（１００）の出力端（１２０）は、反応室（２００）の入力端（２１０）とフランジ（１３０）を介して一致している。反応室（２００）はグラファイトで半径方向に囲まれている。グラファイト（２３０）は絶縁されていて、半径方向に加熱コイル（２４０）に囲まれている。好ましい実施形態に於いて、加熱コイル（２４０）は誘導コイル（２４０）である。グラファイト（２３０）はグラファイト絶縁ブランケット（２３１）と耐火ライニング（図示せず）によって半径方向に絶縁されている。誘導コイル（２４０）の目的は２つである。（ａ）反応炉温度を比較的一定レベルに保つこと（ｂ）鉱石が反応炉を通過する時に鉱石をかき回すための電磁場を形成すること。この構造に於いて、必要に応じて、グラファイトは膨張したり収縮したりすることが許される。

材料がＡＭＴ反応炉（登録商標）（１０）の外に出てしまわないように、また誘導コイル（２４０）を焼いてしまうかもしれない直接プラズマアーク放電からその誘導コイル（２４０）を防護するために、反応室（２００）とグラファイト（２３０）の間の領域はシールされなければならない。

反応室（２００）の出力端（２２０）は耐火基板（２３３）から突き出ている。誘導コイル（２４０）は耐火基板（２３３）によって保持されている。耐火基板（２３３）は水冷基板（２３４）の上に乗っている。この構造によって、必要な場合には、反応炉（２００）の膨張が可能である。

プラズマトーチ（３００）は、トーチ分離バルブ（３２０）（図６を参照）と結合しているトーチシールハウジング（３１０）を通って反応室（２００）の中に入る。トーチ分離バルブ（３２０）は、トーチ分離バルブ（３２０）と反応室（２００）との間、およびトーチ分離バルブ（３２０）とトーチシールハウジング（３１０）との間に真空シールを形成する。トーチシールハウジング（３１０）は非導電材料で作られている。

この構造によってプラズマトーチ（３００）はＡＭＴ反応炉（登録商標）（１０）の残りの部分から電気的に分離している。プラズマトーチ（３００）のメインテナンスをするために、トーチ分離バルブ（３２０）をシールして、反応室（２００）内の空気を維持し、プラズマトーチ（３００）をＡＭＴ反応炉（登録商標）（１０）を持ち上げて外に出す。

供給室（１００）と反応室（２００）は、第三室（５００）に取り囲まれている。第三室（５００）は微粒子やガスがバッグハウス（７００）へ排気されるのを許可する。好ましい実施形態によれば、第三室（５００）は少なくとも１つの室ドア（５３０）を有している。室ドア（５３０）はメインテナンスの為のアクセスを許可する。第三室（５００）は管状であり、入力端（５１０）と出力端（５２０）を有す。

ＡＭＴ反応炉（登録商標）（１０）を稼働するために、真空ポンプを使用して反応室（２００）から空気を吸入して低酸素環境を作る。次に、システムはバルブを使用して真空ポンプを分離する。ＡＭＴ反応炉（登録商標）（１０）は代わりに不活性ガスを大気圧近くまで充填する。プラズマトーチ（３００）が点火され、代わりに、供給鉱石とガスの混合物がＡＭＴ反応炉（登録商標）（１０）に充填される。少なくとも１つの供給ホッパー（５５５）は吸引され、酸素が除去される。その少なくとも１つの供給ホッパー（５５５）は、代わりにガス、好ましくは燃焼ガスと同じガスで充填され、鉱石を供給管（１０１）を介してＡＭＴ反応炉（登録商標）（１０）に圧送する。

図７を参照すると、１つの好ましい実施形態によれば、少なくとも１つの供給管（１０１）は単純に鉱石を反応室（２００）に放出する。図７Ｂを参照すると、第二の好ましい実施形態によれば、少なくとも１つの供給管（１０１）は長く伸ばされているので、鉱石をプラズマトーチ（３００）の近くに届けることが出来る。延長された供給管（１０１）は調整可能であり、角度がつけられている。その角度は反応室（２００）の角度と同じで、角度と長さは処理中の鉱石のタイプによる。

第三室（５００）の出力端（５２０）は少なくとも１つの冷却リング（５５０）を有している。少なくとも１つの冷却リング（５５０）は複数のガスノズルを有している。処理された鉱石が反応室（２００）を通って落下する時、その処理された鉱石は冷却リング（５５０）を通り、そこでガスを吹き付けられる。好ましくは、冷却ガスは希ガスである。吹き付ける目的は２つある。（ａ）処理された鉱石を粉末状にする。（ｂ）処理された鉱石を冷却する。好ましくは、ガスノズルは少なくとも１つの冷却リング（５５０）の中心と、第四室（６００）（以下に記述）の出力端（６２０）に向かって下に向いている。

第四室（６００）は入力端（６１０）と出力端（６２０）を有している。好ましい実施形態によれば、第四室は円錐形をしており、入力端（６１０）は出力端（６２０）より大きい直径を有している。第三室（５００）の出力端（５２０）は第四室の入力端（６１０）と一致している。第四室（６００）の出力端（６２０）は下位円錐分離バルブ（５４０）（図８を参照）を有している。下位円錐分離バルブ（５４０）はこの装置が低酸素環境を維持するのを可能に、処理された鉱石が取り除かれ、回収缶やホッパーに回収されるのを可能にする。

バッグハウス：上述したように、ＡＭＴ反応炉（登録商標）（１０）から出た微粒子はバッグハウス（７００）に流入する。バッグハウス（７００）は第三室（５００）に取り付けられている。上記したように、微粒子がＡＭＴ反応炉（登録商標）（１０）からバッグハウス（７００）に流入するのを可能にする負圧が存在する。バッグハウス（７００）は、ガスが排気システム（８００）に入る前に鉱石微粒子を濾過することが出来る少なくとも１つのフィルタを有している。

排気システム：上記したように、排気システム（８００）は真空又は大気圧以下で稼働する。この為に、ガスはバッグハウスから排気システム（８００）に流入する。排気システム（８００）は、中性ガスを大気中に放出する前に、ＡＭＴ反応炉（登録商標）（１０）から受け取った硫黄ガスとその他の有害ガスを濾過するための公知の方法を使用する。

第二溶融システム：ある場合には、ＡＭＴ反応炉（登録商標）（１０）を介して鉱石を処理した後でも、価値のある金属は抽出が困難な状態のままであるかもしれない。この場合には、処理された鉱石は第二溶融システム（９００）を介して処理される。このシステムは誘導熱システムまたは例えば、溶鉱炉であってよい。

プロセス最適化：本発明システムが最適に稼働するために、供給鉱石は細かい網目サイズで、かつ０から２０％の間の湿度レベルで供給室（１００）に送り込まれる。高い湿度を有する鉱石は凝集する。凝集した鉱石はより重くなり、反応室（２００）を通る落下速度が速すぎるので、その結果、鉱石の宙づり時間は減少する。高い湿度状況は、トーチヘッドなどのＡＭＴ反応炉（登録商標）（１０）の消耗品がより早く燃え尽きる原因となる。

反応室（２００）は、反応室（２００）から酸素を取り除くことによって鉱石を処理するための準備がなされる。これは真空ポンプシステムを使用することによって行われる。好ましい実施形態によれば、反応室（２００）の圧力が０ｐｓｉａに近くになると、反応室（２００）は燃焼ガスで充填される。最適状態では、ＡＭＴ反応炉（登録商標）（１０）は約０乃至２ｐｓｉａで稼働する。好ましい実施形態では、反応室（２００）は、プラズマトーチが約２５，０００°Ｆで稼働する時に３，０００°Ｆに保たれる。これらのパラメータはＡＭＴ反応炉（登録商標）（１０）のサイズ、鉱石タイプおよび供給速度によって変わる。

Claims (4)

1. （ａ）プラズマトーチが非転移モードで稼働する場合、前記プラズマトーチの進入を受け入れるための第一開口部を有する反応室を有する反応炉であって、
   前記反応室はグラファイトにより構成されており、
   前記プラズマトーチは能動的端部と非能動的端部を有し、
   前記プラズマトーチは、能動的端部が前記反応室の内部方向にかつ前記第一開口部から離れるように延びる方向で、前記第一開口部を通過するように動作可能に配置され、前記非能動的端部は前記第一開口部に隣接した前記反応室内部に固定され、
   前記反応室は更に鉱石と搬送ガスの進入のために、前記第一開口部の近くの第二開口部を備え、該第二開口部は前記反応室への細い経路を有しており、かつ前記第二開口部は前記第一開口部の近くにあり、鉱石と搬送ガスのための該経路は、前記プラズマトーチの主要軸と同じ軸に沿っており、
   前記反応室は高周波数の交流電流を流す誘導コイルによって半径方向に囲まれており、その結果、鉱石が反応炉を通過する時に鉱石をかき回す磁場を形成し、前記誘導コイルは反応炉の温度制御に助力するように構成されている反応炉と；
   （ｂ）微粒子の鉱石を捕捉するために複数のフィルタを有するバッグハウスと；
   （ｃ）前記反応炉と前記バッグハウスから出た有毒ガスを取り除くための濾過システムを有する排気システムと、
   を備えていることを特徴とする鉱石を処理するシステム。
2. 更に第二溶融システムを有する請求項１の鉱石を処理するシステム。
3. 更に前記システムの温度とガスを継続的に監視して、有毒化学物質、ガスおよび水が環境に排出されるのを防止する入出力システムを有する請求項１の鉱石を処理するシステム。
4. 請求項１のシステムを使用して鉱石を処理する方法であって、
   （ａ）前記反応室から空気を吸引することと；
   （ｂ）前記プラズマトーチを点火することと；
   （ｃ）前記誘導コイルに交流電流を付加することと；
   （ｄ）供給鉱石と搬送ガスの混合物で前記反応室を充填することと、
   を含むことを特徴とする方法。

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