PL165331B1

PL165331B1 - oraz reaktor plazmowy do odsiewania wartosciowych substancji mineralnych z materialów sypkich PL

Info

Publication number: PL165331B1
Application number: PL91289214A
Authority: PL
Inventors: Juliusz B Czaja; Jerzy L Romanowski
Original assignee: Avny Ind Corp
Priority date: 1991-02-27
Filing date: 1991-02-27
Publication date: 1994-12-30
Also published as: PL289214A1; TW201333B

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób odsiewania wartościowych substancji mineralnych z materiałów sypkich oraz reaktor plazmowy, zwłaszcza do odsiewania wartościowych substancji mineralnych z materiałów sypkich. W szczególności wynalazek dotyczy sposobu i urządzenia przydatnych w procesie pozyskiwania zasadniczo czystych substancji mineralnych a także innych cennych surowców wtórnych z takich materiałów sypkich jak popioły lotne, żużel i tym podobne.

Dotychczas proponowano szereg metod i urządzeń do pozyskiwania i odzyskiwania surowców mineralnych z takich materiałów jak popioły lotne, żużel i tym podobne. Przykładowo amerykańskie opisy patentowe nr 3 175900, 3574537, 3783 167, 3819363, 3843 351, 3932171, 3945575, 4002466, 4082832, 4048285, 4177060, 4225565, 4252777, 4310350, 4337900, 4 361441, 4293978, 4410358, 4436550, 4454013, 4474735, 4508040, 4610722, 4617180,

165 331

4652433, 4 668 352, 4 789 532, Re 28 750 oraz brytyjskie opisy patentowe nr 1 273 523 i 1 317888 przedstawiają rozmaite procesy techniczne i urządzenia do pozyskiwania i odzyskiwania różnorodnych surowców mineralnych z rozmaitych zasobów surowcowych.

Znane sposoby i urządzenia miały jednakże zazwyczaj wady, które nie pozwalały na ich gospodarczo użyteczne wykorzystania. Niektóre procesy były zbyt energochłonne, inne wymagały użycia ekonomicznie nieopłacalnych ilości reagentów lub innych elementów sposobów. Jeszcze inne sposoby były zbyt powolne lub zbyt skomplikowane. Były też takie propozycje, które nie rozwiązywały w sposób ekologicznie lub ekonomicznie zadowalający, problemu materiałów odpadowych albo nawet stwarzały dodatkowe problemy związane z ochroną środowiska. Przykładowo, niektóre z dawniejszych rozwiązań wymagały nadmiernie kosztownych i skomplikowanych systemów oczyszczania gazów oraz innych urządzeń zmniejszających zanieczyszczenie środowiska, zwłaszcza zaś atmosfery.

Obecny wynalazek opracowany został w odpowiedzi na wyżej wymienione niedostatki dotychczasowego stanu techniki.

Ogólnym celem wynalazku jest ulepszenie sposobów wyodrębniania zasadniczo czystych frakcji mineralnych takich jak tlenek glinu (korund) i tlenek tytanu z surowców zawierających składniki mineralne, korzystnie z surowców odpadowych takich jak popiół lotny, pył piecowy, żużel, odpady po procesach odlewniczych i innych procesach metalurgicznych, odpady kopalniane, piasek morski i tym podobne.

Celem wynalazku jest także dostarczenie ekonomicznie uzasadnionej korzystnej dla środowiska i opłacalnej handlowo technologii wyodrębniania zasadniczo czystych frakcji mineralnych.

Dalszym celem wynalazku jest dostarczenie handlowo opłacalnych sposobów wyodrębniania produktów ubocznych obok zasadniczo czystych frakcji mineralnych, najlepiej z surowców odpadowych takich jak popiół lotny, pył piecowy, żużel, odpady po procesach odlewniczych i innych procesach metalurgicznych, odpady kopalniane, piasek morski i tym podobne.

Jeszcze dalszym celem wynalazku jest dostarczenie sposobu odzyskiwania tlenku glinu, tlenku tytanu, żelaza, chromu, niklu, kobaltu, ołowiu, cynku, miedzi, cyrkonu i innych cennych pierwiastków oraz innych wartościowych produktów ubocznych z surowców odpadowych pochodzących z odlewni, elektrowni, wysypisk śmieci, procesów zmierzających do redukcji zanieczyszczenia środowiska jak przykładowo z prac przy oczyszczaniu dna morskiego i tym podobnych źródeł w taki sposób aby wyeliminować problemy środowiskowe powodowane przez eksploatację surowców oraz tak, aby w rezultacie stosowania obecnego wynalazku nie pojawiły się żadne dodatkowe kłopoty związane z ochroną środowiska naturalnego.

Bardziej konkretnie, celem wynalazku jest dostarczenie jednostopniowego sposobu wyodrębniania cennych substancji mineralnych z materiałów sypkich, ewentualnie po wstępnej obróbce nieobjętej obecnym wynalazkiem, zawierających składniki mineralne w urządzeniu do realizacji takiego sposobu, przy czym wynalazek ma na celu wykorzystanie pozyskanych materiałów bezpośrednio lub też poddanie ich dalszej obróbce.

Wynalazek udostępnia gospodarczo korzystne, wysoce opłacalne i zbawienne dla środowiska sposób i urządzenie do przerobu sypkich odpadów mineralnych w celu pozyskania z nich zasadniczo czystych surowców. Oprócz pozyskania cennej zawartości mineralnej z surowców sypkich sposób według wynalazku zapewnia także pozyskiwanie i odzyskiwanie cennych handlowo produktów ubocznych, o znacznej użyteczności, nadających się do wykorzystania np. jako materiały budowlane, wypełniacze spoiwa i tym podobne. Objęty wynalazkiem sposób, ewentualnie stosowany łącznie z innymi sposobami rozdziału, zapewnia utylizację wszelkich surowców sypkich przy znacznych korzyściach dla środowiska.

Sposób odsiewania wartościowych substancji mineralnych z materiałów sypkich, zawierających składniki mineralne według wynalazku polega na tym, że materiał sypki zawierający składniki mineralne poddaje się obróbce chemiczno-termicznej w łuku plazmowym wirującym z prędkością obwodową nie mniejszą niż 15 000 obrotów/minutę podgrzewając ten materiał do temperatury wyższej niż temperatura topnienia wyodrębnianych substancji mineralnych, po czym chłodzi się stopione cząstki z ich jednoczesną aglomeracją i rozdziela się otrzymany produkt sypki zbierając osobno frakcje o stosunkowo dużej gęstości, zawierające zasadniczo czyste pożądane substancje mineralne, a osobno lżejsze frakcje odpadowe.

165 331

Korzystnie w sposobie według wynalazku materiał sypki zawierający składniki mineralne oraz gaz plazmowy wprowadza się jednocześnie do komory reakcyjnej reaktora plazmowego, poddaje się gaz jonizacji i wytwarza się w strefie reakcji wirujące wyładowanie łukowe w plazmie przez przyłożenie dostatecznie wysokiego napięcia przepływającego przez elektrody, z których jedna jest katodą, druga zaś - wieloczłonową anodą pierścieniową, o członach elektrycznie odizolowanych od pozostałych, obracające się po obwodzie wieloczłonowej anody z prędkością nie mniejszą niż 15000obr./min., wirujące wraz z materiałem sypkim, przez co podgrzewa się tem materiał do temperatury wyższej niż temperatura topnienia wyodrębnianych substancji mineralnych, po czym odbiera się stopiony materiał poddawany obróbce rozproszony, w strumieniu gazu ze strefy reakcji i kieruje się go do strefy chłodzenia, gdzie następuje aglomeracja zestalających się cząstek, po czym rozdziela się otrzymany produkt sypki i zbiera osobno frakcje zawierające pożądane substancje mineralne a osobno lżejsze frakcje odpadowe.

Korzystnie, rozdział produktu sypkiego otrzymanego w strefie chłodzenia prowadzi się poddając strumień opadających grawitacyjnie cząstek stałych działaniu przeciwprądu powietrza, unoszącego lżejsze odpadowe frakcje do góry i pozwalającego opaść zaglomerowanym cząstkom o wyższej gęstości zawierającym pożądane substancje mineralne, po czym zbiera się oddzielnie rozdzielone frakcje.

W sposobie według wynalazku obróbce poddaje się materiał sypki, którego cząstki mają promień mniejszy niż około 0,1 mm, korzystnie, wybrany z grupy obejmującej: popiół lotny, pył piecowy, żużel, węgiel, odpady odlewnicze, odpady kopalniane, piasek morski, mieszaniny tych materiałów oraz frakcje wyodrębnione z tych materiałów.

Zgodnie z wynalazkiem obróbce poddaje się odpady odlewnicze, zwłaszcza mające postać żużla metalurgicznego wytworzonego w procesie produkcji żelazochromu lub popiół lotny wytworzony z żużla wielkopiecowego, a jako zasadniczo czyste pożądane substancje mineralne, wyodrębnia się w szczególności substancje należące do grupy obejmującej: tlenek glinu, tlenek tytanu, żelazo, chrom, nikiel, kobalt, ołów, cynk, miedź, cyrkon i ich połączenia.

W sposobie według wynalazku, ewentualnie, zebrane lżejsze frakcje odpadowe poddaje się dalszej obróbce w celu otrzymania cementopodobnych materiałów budowlanych.

W zależności od typu surowca do przerobu, jego składu, pożądanego stopnia czystości produktu końcowego i innych zmiennych podlegających każdorazowo ocenie, pozyskiwanie cennych substancji mineralnych następuje bądź to w procesie jednofazowym według wynalazku lub w procesie wielofazowym, w którym wstępną lub dalszą fazę prowadzi się sposobem nie objętym obecnym wynalazkiem. Wykorzystuje się przy tym urządzenie według wynalazku oraz ewentualnie inne dodatkowe urządzenia pozwalające na wykorzystanie fizycznych i chemicznych sposobów rozdziału materiału sypkiego, w celu osiągnięcia pożądanego stopnia wyekstrahowania i odzyskania zawartości mineralnej z surowca oraz pozyskania innych cennych produktów ubocznych z otrzymanych pozostałości.

Wynalazek dotyczy także urządzenia przydatnego do realizacji sposobu według wynalazku.

Reaktor plazmowy posiadający dwie stacjonarne elektrody, z których jedna ma kształt pierścienia i podzielona jest na wiele członów wzajemnie odizolowanych elektrycznie od siebie oraz strefę reakcji pomiędzy tymi elektrodami, przez którą przebiega łuk plazmowy gdy do tych elektrod przyłożone jest dostatecznie duże napięcie, zgodnie z wynalazkiem, ma strefę reakcji w komorze reakcji, której osią podłużną jest linia pionowa wytyczona od pierwszej stacjonarnej elektrody do środka drugiej wieloczłonowej, pierścieniowej elektrody, oraz cewki cylindryczne, przyłączone pomiędzy każdym członem drugiej elektrody a obszarem stałego potencjału, przy czym każda cewka umieszczona jest w punkcie znajdującym się na obwodzie drugiej elektrody, w odstępie 90° od tego członu elektrody, do którego jest przyłączona i zorientowana tak, że jej oś podłużna jest równoległa do linii wytyczonej od środka drugiej elektrody do tego członu tej elektrody, do którego ta cewka jest przyłączona, a przeznaczony zwłaszcza do odsiewania wartościowych substancji mineralnych z materiałów sypkich zawierających składniki mineralne.

W reaktorze według wynalazku, każdy z członów drugiej elektrody jest przyłączony do obszaru stałego potencjału poprzez obwód zawierający dwie cylindryczne cewki ułożone na obwodzie drugiej elektrody i ulokowane w odstępie 90°, po każdej stronie członu drugiej elektrody, do

165 331 którego te cewki są przyłączone, przy czym te cewki są tak zorientowane, że ich osie podłużne są równoległe do linii wytyczonej od środka drugiej elektrody do tego jej członu, do którego są one przyłączone. Cewki cylindryczne rozmieszczone na obwodzie drugiej elektrody są nawinięte na pierścieniowym rdzeniu o niskim oporze magnetycznym.

Reaktor według wynalazku ma dodatkowo współosiową cewkę cylindryczną, która otacza strefę reakcji tak, że cewka ta ma oś podłużną współbieżną z osią pionową komory reakcji w celu wytworzenia osiowo zorientowanego pola magnetycznego, gdy współosiowa cewka cylindryczna jest zasilana.

Reaktor według wynalazku jest wyposażony w strefę chłodzenia umieszczoną pionowo pod komorą reakcji, a to w celu przyjmowania materiałów podgrzanych w strefie reakcji oraz umożliwienia ostygnięcia przed ich zebraniem.

Pionowo poniżej strefy chłodzenia reaktor ma strefę przeciwprądu powietrza, który oddziaływa na schłodzone materiały w taki sposób, że odsiewane wartościowe substancje mineralne przechodzą przez tę strefę i zostają zebrane na jej dnie, a pozostałości zostają usunięte w celu zebrania ich gdzie indziej.

W reaktorze według wynalazku strefa przeciwprądu jest sekcją stożkową, zaś przeciwprąd skierowany jest ku górze od wlotu do sekcji stożkowej do wylotu z niej strumienia powietrza wraz z frakcjami odpadowymi. Korzystnie, kąt pochylenia stożka zawiera się w granicach od około 0° do 40°, a kąt wejścia powietrza do sekcji stożkowej wynosi około 15°. Korzystnie też, punkt środkowy wlotu powietrza do sekcji stożkowej umieszczony jest w około 1/4 wysokości całkowitej, sekcji stożkowej, mierzonej od dna tej sekcji.

Reaktor według wynalazku ma też sekcję łączącą po obwodzie wspomnianą komorę chłodzenia i sekcję stożkową. Stanowi ją ścianka ustawiona pod kątem od około 35° do 60° w stosunku do górnej poziomej krawędzi sekcji stożkowej.

Reaktor plazmowy skonstruowany jest tak, aby wytworzyć obrotowe wyładowanie łuku plazmy pomiędzy dwoma stacjonarnymi układami elektrod. Korzystnie, anoda reaktora plazmowego składa się z sześciu do dziesięciu, a najlepiej z ośmiu segmentów, dla osiągnięcia pożądanych obrotów plazmy wyższych niż 15000obr./min., korzystnie w zakresie od 15000 do 30000obr./min.. Za najkorzystniejszą uważa się prędkość 16000obr./min.

Dodatkowa cewka współosiowa z linią łączącą katodę ze środkiem anody, otaczającą strefę reakcji wytwarza drugie pole magnetyczne, które dodatkowo przyspiesza obroty łuku plazmowego, przekształcając prędkość kątową plazmy w prędkość liniową po obwodzie.

Do wytwarzania plazmy w generatorze stosuje się różne gazy w zależności od składu obrabianego surowca. Należą tu rozmaite gazy utleniające, takie jak powietrze atmosferyczne lub tlen, gazy redukujące, jak wodór i gazy obojętne, jak argon i inne gazy szlachetne. Tak więc cząstki przechodząc przez łuk plazmy zostają podgrzane do temperatur przekraczających ich temperatury topnienia, nawet do temperatury około 10000°K i przechodzą w stan ciekły. Reaktor plazmowy ma ponadto taki kształt i wymiary, aby pomieścić strefę chłodzenia, przez którą ciecz opuszcza strefę reakcji z plazmą, przechodząc przez gradienty coraz niższych temperatur, gdy pożądane składniki mineralne, w zasadniczo czystej postaci pierwiastków lub związków stygną i tężeją do postaci sypkiej o stosunkowo dużej gęstości. Również podgrzane pozostałości cząstek wprowadzonych na początku albo krystalizują w strefie chłodzenia w postaci pyłu o stosunkowo niskiej gęstości, albo tamże odparowują w postaci gazów w wyniku poddania ich najpierw działaniu plazmy, a następnie ochłodzeniu. Ponadto budowa reaktora obejmuje strefę przedmuchu o odwrotnym kierunku, do której przechodzą materiały ciekłe, pyliste i gazowe po opuszczeniu strefy chłodzenia. W tej strefie przedmuchu materiały te zostają poddane odwrotnemu prądowi powietrza. Po przejściu przez taki odwrotny prąd powietrza wartościowe skroplone substancje mineralne zostają doprowadzone do swej zasadniczo czystej postaci sypkiej, natomiast pozostałe składniki pyliste i gazowe zostają usunięte z produktu końcowego przez przeciwprąd powietrza i zebrane oddzielnie.

W wyniku odsiewania chemiczno-cieplnego przy użyciu reaktora plazmowego, z poddanych takiej obróbce surowców wyodrębnione zostają zasadniczo czyste substancje mineralne o poziomie czystości przekraczającym 95%. Ponadto w zależności od swego składu, pozostałe składniki pyliste i gazowe, oddzielone od zebranych wartościowych substancji mineralnych, mogą być poddane

165 331 7 dalszej obróbce i stać się źródłem innych użytecznych, zasadniczo czystych frakcji. Inna możliwość polega na użyciu takich materiałów odpadowych jako cennych produktów ubocznych procesu.

Wynalazek bliżej zostanie omówiony w oparciu o załączone rysunki, na których fig. 1 przedstawia schemat blokowy procesu przerobu popiołów lotnych, którego część stanowi sposób według wynalazku, fig. 2 - schemat blokowy procesu przerobu żużla metalurgicznego będącego odpadem po produkcji żelazochromu, którego część stanowi sposób według wynalazku, fig. 3 - schemat blokowy procesu przerobu odpadów pogalwanicznych, którego część stanowi sposób według wynalazku. Figura 4 - schemat blokowy procesu przerobu piasku morskiego, którego część stanowi sposób według wynalazku, fig. 5 - urządzenie do oddzielania pneumograwitacji - nie objęte obecnym wynalazkiem - w przekroju, w rzucie bocznym, fig. 6 - reaktor plazmowy według wynalazku, stanowiący urządzenie do odsiewania chemiczno-cieplnego, w przekroju w rzucie bocznym, fig. 7 -reaktor plazmowy uwidoczniony na rysunku fig. 6, w widoku z góry, z projekcją od katody do wieloczłonowego zespołu anody, a fig. 8 przedstawia schematycznie szczegółowe wzajemne położenie katody i wieloczłonowej anody z rysunku fig. 6 z odsłoniętym przekrojem ich części.

Rysunki fig. 1 - 4 przedstawiają schematy blokowe procesów przerobu różnych surowców sypkich zawierających składniki mineralne, różniące się między sobą szczegółami zależnymi od składu surowca, jego postaci fizycznej, zawartości mineralnej i innych podobnych względów, szczegółowo omówione w poniższych przykładach realizacji sposobu według wynalazku.

Surowcem poddawanym obróbce według schematu blokowego procesu przedstawionego na rysunku fig. 1 jego świeżo wyprodukowany, suchy popiół lotny pochodzący ze spalania węgla w elektrociepłowni. W związku z tym należy zauważyć, że użyty tutaj świeży popiół był dostatecznie miękki i można go było poddawać obróbce bez zmielenia do postaci sypkiej. Gdyby jednak używano popiołu z usypiska rezerwowego lub hałdy narastającej przez dłuższy czas - liczony nawet w latach - konieczne byłoby mielenie używanego jako surowiec popiołu na cząstki odpowiedniej wielkości, aby stosowany sposób przerobu mógł przynieść zadowalające wyniki.

Skład używanego do przerobu popiołu lotnego może się nieco zmieniać w zależności od paliwa. Zawsze jednak głównymi składnikami popiołu lotnego są krzem i glin, a wśród składników drugorzędnych znajduje się wapń, żelazo, tytan i magnez. Można się również spodziewać śladowych ilości ołowiu, rtęci, srebra, manganu i chromu. Zwykle stosowany w sposobie według wynalazku popiół lotny zawiera następujące związki:

SiO2	50- 56%
AbO3	21 - -28%
CaO	2- 4%
Fe2O3	7 - 12%
TiO₂	1 -1,77%
MgO	2- 3%

Przykład I. Zebrano 10 kg suchego popiołu lotnego świeżo wytworzonego z węgla podczas codziennej pracy elektrociepłowni. Ta 10-kiiogramowa próbka miała następujący skład procentowy wyrażony w procentach wagowych:

SiO-	51,5%
Al-O3	26,6%
CaO	2,6%
Fe-O3	11,3%
TiO-	1,2%
MgO	2,1%
Inne	4,7%

Ta próbka popiołu lotnego została wprowadzona do komory urządzenia do oddzielenia pneumograwitacyjnego typu przedstawionego na rysunku fig. 5. Po wprowadzeniu do komory popiół został potraktowany 1 litrem 5% roztworu kwasu siarkowego; popiół wszedł w reakcję z kwasem i utworzył sypką frakcję siarczanową o wysokiej gęstości, co sprzyjało osadzaniu się aktywnych cząstek w dalszych fazach procesu.

165 331

W urządzeniu do oddzielania pneumograwitacyjnego cząstki wchodziły w styczność z laminarnym strumieniem powietrza flotacyjnego przepływającym przez komorę do wlotu po jednej stronie do wylotu po drugiej stronie komory. Prędkość powietrza wynosiła 2 m/s, a w miarę, jak cząstki były przedmuchiwane przez komorę, cięższe ziarna, w tym AI2O3 i TiO2, opadały ze strumienia flotacyjnego w wyniku osadzania grawitacyjnego, natomiast lżejsze cząstki pozostawały w zasadzie zawieszone w strumieniu flotacyjnym. Mineralna frakcja sypka, wytrącona ze strumienia flotacyjnego ważyła 3,08 kg i miała następujący skład wyrażony w procentach wagowych:

AbO₃	68,18%
Al2(SO4)₃	9,70%
SiO2	11,37%
TiO2	3,89%
Fe2O₃	3,20%
Fe2(SO)	1,60%
MgO i MgSO4	0,38%
CaO	1,68%

Ta wytrącona frakcja pylista została zebrana i przeniesiona do dalszej obróbki w stadium odsiewania chemiczno-termicznego w celu wydobycia z produktu fazy obróbki pneumograwitacyjnej substancji mineralnych o wyższej czystości.

Cząstki, które pozostały w strumieniu flotacyjnym zostały zebrane osobno. Ważyły one 6,92 kg. Skład procentowy tej frakcji odpadowej, wyrażony w procentach wagowych był następujący:

AkO₃	2,80%
Ak(SO4)₃	0,87%
SiO2	69,30%
Fe2O₃	13,20%
Fe2(SO4)3	1,15%
CaO	3,00%
TiO2	-
MgO i MgSO4	2,89%
Inne	6,78%

Ta frakcja odpadowa okazała się także wartościowym produktem ubocznym, nadającym się do dalszego przetwarzania w celu użycia do produkcji cementowo-podobnych mieszanek budowlanych oraz spoiw i wypełniaczy doskonałej jakości.

W stadium odsiewania chemiczno-termicznego sposobem według wynalazku frakcja sypka wytrącona w procesie oddzielania pneumograwitacyjnego wprowadzana była do reaktora plazmowego, przedstawionego na rysunku fig. 6, gdzie przy użyciu powietrza jako gazu wyjściowego wytwarzano plazmę o temperaturze około 10000°K; uzyskano obroty łuku plazmowego wokół uczłonowanej anody z prędkością około 30 000 obr./min., co spowodowało wydzielenie użytecznej frakcji mineralnej o ciężarze 2,53 kg z pierwotnie wprowadzonej do komory reakcji próbki materiału sypkiego o ciężarze 3,08 kg. Skład tej frakcji wyrażony w procentach wagowych był następujący:

Al2O₃ 95,0%

TiO2 2,7%

Zanieczyszczenia 2,3%

Tak więc w dwustopniowym procesie uzyskano frakcję AhO₃ i TiO 2 o czystości 97,7% przez stopienie AkO₃ i TiO2 w plazmie i odzyskanie nierozdzielonego agregatu, który zebrał się na dnie komory reakcyjnej reaktora przedstawionego na rysunku fig. 6.

Frakcja o ciężarze 0,55 kg, stanowiąca pozostałość z pierwotnej próbki o ciężarze 3,08 kg wprowadzonej do reaktora plazmowego, została z tego reaktora usunięta jak to opisano dalej w

165 331 odniesieniu do urządzenia wskazanego na rysunku fig. 6. Przykładowo większa część magnezu, żelaza i krzemianów z 3,08 kilogramowej próbki została stopiona w plazmie i wykrystalizowała w postaci cząstek pyłu wydmuchniętych następnie z reaktora. Również siarczany wyparowały w plazmie tworząc gaz, który został również wydmuchnięty z reaktora. Cała pozostała frakcja o ciężarze 0,55 kg, łącznie z cząstkami pyłowymi i gazowymi, mogła w razie potrzeby zostać zebrana do dalszego przetworzenia.

Przykład II. Na rysunku fig. 2 zilustrowano inny przykład realizacji wynalazku, gdzie jako materiał sypki użyto żużel z odlewni wytwarzającej produkty żelazo-chromowe. Należy dodać, że sposobem według wynalazku przerabiano także żużel kopalniany.

Próbkę żużla wielkopiecowego pobrano z hałdy. Próbka żużla została przebrana w celu usunięcia zbyt dużych kęsów, a pozostały materiał sypki został poddany magnetycznej technice odsiewania, przy pomocy której kęsy o średnicy większej niż 250 mm zostały oddzielone od pozostałego materiału sypkiego. Ta odsiana frakcja kęsów o średnicy 250 mm i większej zawierała 75% (wagowo) żelaza i 25% (wagowo) związków chromu. Próbka o ciężarze 10 kg pozostałego surowca sypkiego złożonego z cząstek o mniejszej średnicy miała następujący skład wyrażony w procentach wagowych:

SiO2	25%
Al2O3	3%
CaO	45%
Fe2O3	7%
MgO	8%
Cr
tlenek chromu 1	12%
chromiany J

Ta 10 kg próbka została następnie poddana skruszeniu i zmieleniu, tak że cząstki zostały zmniejszone do przeciętnej średnicy od około 0,1 do około 0,2 mm. Te zmielone cząstki zostały wprowadzone do komory flotacyjnej urządzenia do oddzielania pneumograwitacyjnego przedstawionego na rysunku fig. 5. W urządzeniu tym cząstki weszły w kontakt z laminarnym strumieniem powietrza flotacyjnego przepływającego przez komorę od wlotu po jednej stronie do wylotu po drugiej stronie komory. Prędkość powietrza wynosiła około 10 m/s i cząstki przedmuchiwane przez komorę wypadały ze strumienia flotacyjnego w dwóch odrębnych frakcjach według ciężaru cząstek. W wyniku opadania grawitacyjnego pierwsza frakcja zawierała cząstki cięższe, zaś druga -lżejsze. Pozyskana pierwsza frakcja mineralna, która opadła ze strumienia flotacyjnego ważyła 5,75 kg została zebrana i poddana znanemu procesowi separacji magnetycznej w celu oddzielenia części (o wadze 3,27 kg) bogatej w żelazo i chrom od drugiej części (o wadze 2,48 kg).

Pierwszą część bogatą w żelazo i chrom zebrano. Pozostała druga część o wadze 2,48 kg miała następujący skład wyrażony w procentach wagowych:

Al₂Oa 6,06%

CaO 66,52%

SiO 26,21%

Cr₂C>3 0,41%

FezOa 0,40%

MgO 0,41%

Druga frakcja pozyskana w etapie oddzielania pneumograwitacyjnego ważyła 4,3 kg i miała następujący skład wyrażony w procentach wagowych:

Al₂O₃ 3,49%

CaO 32,60%

SiO₂ 39,56%

Cr₂o₃ 5,80%

Fe₂O₃ 4,65%

MgO 13,90%

165 331

Drugą część z procesu separacji magnetycznej, o wadze 2,48 kg połączono z drugą frakcją z oddzielania pneumograwitacyjnego o wadze 4,3 kg, otrzymując połączoną próbkę o wadze 6,78 kg, którą przeniesiono do dalszej obróbki metodą odsiewania chemiczno-termicznego w celu wydobycia z tego produktu substancji mineralnych o wyższej czystości.

Do połączonej próbki o wadze 6,78 kg dodano około 0,72 kg cząstek węgla otrzymując mieszankę sypką o wadze 7,5 kg, którą wprowadzono następnie do reaktora plazmowego typu przedstawionego na rysunku fig. 6, gdzie przy użyciu powietrza jako gazu wyjściowego wytwarzano plazmę o temperaturze około 10 000°K. Uzyskano obroty łuku plazmowego wokół uczłonowanej anody z prędkością około 30 000 obr./min., co spowodowało wydzielanie użytecznej frakcji mineralnej o następującym składzie wyrażonym w procentach wagowych i wadze 0,28 kg:

mieszanka chromu 85% mieszanka żelaza 14% zanieczyszczenia 1%

Tak więc w dwuetapowym procesie pozyskano z surowców sypkich substancje mineralne o czystości 99% i wysokiej procentowej zawartości chromu i żelaza, w ilości około 0,28 kg. Pozostała frakcja zebrana z etapu odsiewania chemiczno-termicznego w reaktorze takim, jaki przedstawiono na rysunku fig. 6, o wadze 6,5 kg zawierała wartościowe składniki nadające się do wytwarzania cennych produktów ubocznych, takich jak materiał podobny do cementu portlandzkiego.

Przykład III. Na rysunku fig.3 zilustrowano kolejny przykład realizacji wynalazku, w którym jako surowiec do pozyskiwania substancji mineralnych zastosowano pozostałość uzyskaną w procesie galwanicznego wytwarzania wysoko jakościowej stali. Po procesie galwanizacji zebrano pozostałość w postaci osadu, który zawierał w swoim składzie chromiany, siarczany, chlorany, związki żelazowe oraz krzemiany. W szczególności osad zawierał wysoki procent (ponad 50% wagowych) soli chromu.

Na początku osad poddano osuszeniu gorącym powietrzem. Następnie wysuszony materiał zmielono na cząstki o średnicy nie większej niż 2 mm. Tak przygotowany materiał sypki przetransportowano i wprowadzono jako próbkę o ciężarze 10 kg do urządzenia do oddzielania pneumograwitacyjnego typu jaki przedstawiono na rysunku fig. 5, o zasadzie działania przedstawionej niżej w opisie tego rysunku. Prędkość przepływu laminarnego strumienia powietrza w komorze flotacyjnej wynosiła około 5 m/s. Ze strumienia flotacyjnego opadła frakcja sypka o ciężarze 4,5 kg, a frakcja odpadowa o ciężarze 5,5 kg pozostała zawieszona w strumieniu flotacyjnym.

Opadowa frakcja sypka ze stadium rozdziału pneumograwitacyjnego z przewagą soli chromu, chromianów oraz związków żelazowych i żelazawych została zebrana i przeniesiona z kolei do następnego etapu obróbki, to jest do odsiewania chemiczno-termicznego w celu pozyskania cennej zawartości mineralnej o wyższej czystości niż produkt uzyskany w etapie oddzielania pneumograwitacyjnego. Cząstki pozostałe w strumieniu flotacyjnym zostały zebrane oddzielnie jako cenny produkt uboczny, nadający się do użytku jako spoiwo lub w kopalniach jako podsadzka.

W etapie odsiewania chemiczno-termicznego frakcja opadowa z etapu oddzielania pneumograwitacyjnego została wprowadzona do reaktora plazmowego przedsta wionego na rysunku fig. 6, gdzie wytworzono plazmę o temperaturze około 10000°K przy zastosowaniu metanu jako gazu redukcyjnego. Łuk plazmowy obracał się wokół ośmioczłonowej anody z prędkością około 30000 obr./min., co spowodował wydzielenie się zasadniczo czystego chromu pierwiastkowego, soli chromu oraz żelaza pierwiastkowego. Ta mieszanina materiałów chromowych i żelaznych poddana została procesowi odsiewania elektromagnetycznego w celu wyodrębnienia zasadniczo czystych materiałów chromowych od zasadniczo czystego żelaza.

Przykład IV. Na rysunku fig.4 zilustrowano kolejny przykład realizacji wynalazku, w którym jako surowiec do pozyskiwania cennych substancji mineralnych wykorzystano piasek czerpany z dna zbiorników takich jak ocean, morze lub jezioro. Najlepiej, aby piasek do tego celu, dalej nazywany piaskiem morskim, był czerpany z pobliża kopalni lub zakładów przemysłowych odprowadzających ścieki do danego zbiornika wody. W niniejszym przykładzie użyto jako źródła substancji mineralnych 10 kilogramową próbkę piasku morskiego. Ta próbka zawierała następujące substancje mineralne w podanych niżej ilościach wyrażonych w procentach wagowych:

165 331

^menit	28,0%
cyrkon	20,7%
rutyl	7,3%
monacyt	1,5%
granat	34,2%
amfibol	3,8%
epidot	3,1%
turmalin	1,4%

kilogramową próbkę piasku morskiego wprowadzono najpierw do odsiewacza magnetycznego o słabym polu magnetycznym, do około 5 kilogausów, aby odsiać wysoko magnetyczną frakcję materiałów żelazistych od niemagnetycznych i niżej magnetycznych składników próbki. Wydzielona w ten sposób frakcja wysoko magnetyczna ważyła 2,8 kg i zawierała 97% ilmenitu oraz 3% takich związków mineralnych jak granat, amfibol, epidot i turmalin. Ta frakcja magnetyczna została następnie wprowadzona w postaci sypkiej do reaktora plazmowego typu jaki przedstawiono na rysunku fig. 6, gdzie ten materiał sypki został poddany obróbce chemiczno-termicznej opisanej w związku z działaniem takiego reaktora. W tym etapie z frakcji bogatej w ilmenit pozyskano żelazo o czystości 98,6% i TiO2 o czystości 99,4%.

Pozostała frakcja niemagnetyczna i niżej magnetyczna ważąca 7,2 kg została przeniesiona z odsiewacza magnetycznego i poddana odsiewaniu elektrostatycznemu przy zastosowaniu potencjału dodatniego do 50 kV. Odsianie elektrostatyczne spowodowało podział poddanej temu procesowi frakcji na dwie porcje. Jedna porcja, złożona z materiałów przewodzących ważyła 2,9 kg, zaś druga porcja złożona z dielektryków i materiałów nieprzewadząyyyh ważyła 4,3 kg.

Pierwsza porcja złożona z materiałów przewodzących zawierała materiały takie jak granat, amfibol, epidot, turmalin i rutyl. Została ona następnie skierowana do dalszej obróbki aby oddzielić materiały ₎,półmagnetyctne“ w niej zawarte od frakcji niemagnetycznej przez poddanie

2,9 kilogramowej próbki odsiewaniu magnetycznemu w silnym polu magnetycznym do 16 kilogausów. Oddzielony materiał „pól magnetyczny” ważący 1,6 kg stanowił pozostałość procesu. Reszta ods^nego materiału ważąca 1,3 kg została zebrana i oczyszczona w kolejnym procesie obróbki elektrostatycznej, w którym usunięto pozostałe jeszcze materiały dielektryczne, zaś materiały przewodzące, ważące 7 kg i zawierające 96% koncentrat rutylowy z 4% dodatkiem zanieczyszczeń takich głównie jak granat oraz cyrkon, amfibol, epidot i turmalin, zebrano i poddano obróbce w reaktorze plazmowym typu przedstawionego na rysunku fig. 6 i działającego zgodnie ze szczegółowym opisem podanym poniżej. Mieszanina uzyskana w wyniku obróbki chemiczno-termicznej w reaktorze plazmowym zawierała TiO2 o czystości 99,8%.

Ponadto, jak wspomniano wyżej zebrano drugą porcję materiałów dielektrycznych i niepzzewodzących, ważącą 4,3 kg, którą również poddano odsiewaniu magnetycznemu w silnym polu magnetycznym do 16 kilogausów, co spowodowało wydzielenie dwu dodatkowych frakcji. Jedna z nich zawierała mineralne materiały magnetyczne i ważyła 0,5 kg. Ta frakcja magnetyczna zawierała monazyt o czystości 98% oraz 4% zanieczyszczeń takich jak cyrkon, granat, amfibol, epidot i turmalin. Tę 98% frakcję monazytu zebrano i poddano obróbce w reaktorze plazmowym w celu pozyskania tlenków lantanu i czystości 99,3%.

Frakcja niemagnetyczna wyodrębniona z wymienionych wyżej dwu frakcji ważyła 4,15 kg. Została ona przeniesiona do dalszego odsiewu elektrostatycznego, gdzie pozyskano koncentrat cyrkonu jako produkt dielektryczny odsiewania elektrostatycznego oraz pozostałość przewodzącą. Koncentrat cyrkonu ważył 2,1 kg i zawierał 97% ZrSiO 4 i 3% zanieczyszczeń, złożonych głównie z rutylu i niewielkich ilości innych materiałów takich jak granat, amfibol epidot i turmalin. Ten koncentrat cyrkonu również poddano obróbce chemiczno-termicznej w reaktorze plazmowym typu opisanego i przedstawionego na rysunku fig. 6, w celu uzyskania ZzO2 o czystości 99,5% oraz SiO 2 o czystości 99,8%. Wyodrębniony materiał przewodzący o ciężarze 2,05 kg stanowił pozostałość procesu, którą połączono następnie z pozostałościami poprzednich stadiów i potraktowano łącznie jako odpad.

Wynalazek w zakresie urządzenia bliżej objaśniają dalsze rysunki.

165 331

Poniższy szczegółowy opis urządzenia do oddzielania pneumograwitacyjnego - nie objętego obecnym wynalazkiem lecz wykorzystywanego w procesach opisanych w powyższych przykładach realizacji sposobu według wynalazku - ilustruje rysunek fig. 5. Na tym rysunku, urządzenie 50 ma podłużną obudowę 52 o prostokątnym przekroju poprzecznym. Obudowa 52 mieści komorę flotacyjną 54 i wlot 56 z dopasowanym zsypem 58, takim jak przykładowo taśmociąg wibracyjny, prowadzącym do komory 54 pod pożądanym kątem wejścia. W obudowie 52 jest także inny wlot 60, przez który do komory 54 wprowadzane jest powietrze za pomocą wentylatora lub dmuchawy 62 wmontowanej na stałe w pobliżu pierwszego zakończenia 64 obudowy 52. Obudowa 52 ma także co najmniej jeden wylot, przedstawiony na rysunku jako wyloty 66 i 68, ustawione tak, aby umożliwić odbiór opadowych frakcji mineralnych otrzymywanych z materiału sypkiego wprowadzanego do komory 54 przez wlot 56 i poddawanego obróbce. Wylot 70 mieści się na drugim końcu 72 obudowy 52, przeciwległym do jej pierwszego końca 64, w celu umożliwienia odbioru nieopadniętych frakcji materiału sypkiego z zawartością mineralną, stanowiących pozostałą frakcję odpadową.

W korzystnym przykładzie realizacji wlot 56 usytuowany jest wzdłużnie w stosunku do wylotu na końcu 72 obudowy 52, w odległości określonej wzorem:

. CH VMg Fd2 v_c w którym L oznacza odległość poziomą pomiędzy drugim wlotem 56, przez który wprowadza się materiał sypki, a końcem komory 54, przez który cząsteczki opuszczają komorę 54, C oznacza stałą obliczoną na bazie liczby Reynoldsa i w przypadku laminarnego przepływu powietrza przez komorę 54 wynosi 18, V oznacza prędkość gazu (np. powietrza) przepływającego przez komorę 54, Mg oznacza lepkość dynamiczną gazu, F oznacza pole przekroju komory 54, d oznacza przeciętną średnicę cząsteczek materiału sypkiego wprowadzanych do komory 54 przez drugi wlot 56, Vc oznacza ciężar właściwy cząstek, zaś H oznacza wysokość komory 54.

W czasie pracy urządzenia 50 powietrze wdmuchiwane jest do komory 54 przez dmuchawę 62, co powoduje laminarny przepływ strumienia flotacyjnego wzdłuż stałej osi poziomej 74 przebiegającej od dyszy wlotowej 76 dmuchawy 62 do końca 72 obudowy 52. Cząstki wprowadzane są do komory 54 przez wlot 56 i zsyp 58 jest wyregul owany w sposób zapewniający pożądany kąt α wprowadzania cząstek do komory 54. Kąt α może być regulowany w granicach od około 12 do około 75° względem osi 74 w celu dostosowania warunków prowadzenia oddzielania do ciężaru rozmaitych surowców poddawanych obróbce w tym urządzeniu 50. Korzystnie zsyp 58 ma konstrukcję umożliwiającą wibrację lub oscylację w taki sposób, aby cząstki wprowadzane przez zsyp 58 do komory 54 były dostatecznie intensywnie wstrząsane dla przeciwdziałania ich aglomeracji.

Nogi 76 i 78 zapewniają podparcie obudowy 52 i stabilne położenie względem podłogi 80. Urządzenie 50 wyposażone jest w typowe mechanizmy regulacyjne 82 i 84 do ustalania wysokości nóg 76 i 78, zamontowane na nogach 76 i 78 odpowiednio. Mechanizmy 82 i 84 pracują niezależnie w celu podnoszenia lub opuszczania obudowy 52, stosownie do potrzeb w celu przechylania komory 54 w obudowie 52 jeśli jest to pożądane, co umożliwia regulację kąta β pomiędzy ustaloną osią poziomą 74 a osią podłużną komory 54. W ten sposób można regulować drogę opadania, jaką muszą przebyć cząstki pomiędzy wprowadzeniem do komory 54 a zetknięciem ze strumieniem powietrza, dostosowując tę drogę do surowców o rozmaitym ciężarze cząstek. Praktycznie stwierdzono, że dla osiągnięcia najlepszych wyników ta regulacja kątowa β powinna być możliwa w granicach od około -60 do 0° (w poziomie) dla lżejszych produktów mineralnych oraz od + 60° do 0° (w poziomie) dla cięższych produktów mineralnych.

Na rysunku fig. 6 przedstawiono schematycznie reaktor plazmowy 100 według wynalazku, służący do obróbki dowolnych surowców sypkich, także takich jak niewytrącone frakcje mineralne pozyskane w sposobie oddzielania pneumograwitacyjnego przy użyciu urządzenia 50 przedstawionego na wyżej omówionym rysunku fig. 5 lub do obróbki jakichkolwiek innych materiałów sypkich.

W reaktorze 100 znajduje się głowica plazmowa 102 z wmontowanym pionowo miotaczem plazmy 104. Miotacz 104 ma kształt i wymiary dobrane w celu wprowadzania plazmy gazowej tak,

165 331 aby powstał skierowany w dół, centralny łuk lub strumień plazmy 105, rozciągający się od katody 106 do wieloczłonowego zespołu anody pierścieniowej 108 umieszczonej w komorze reakcyjnej 110 w kierunku w dół strumienia plazmy od głowicy 102. Głowica plazmowa 102 zawiera ukształtowane kanały 116, które biegną ku górze i pozostają w łączności z urządzeniem dozującym (nie uwidocznionym na rysunku), odmierzającym surowiec sypki zawierający składniki mineralne wprowadzany do komory reakcyjnej 110. Za komorą 110, w kierunku w dół strumienia plazmy znajduje się cylindryczna komora chłodzenia 112 prowadząca w dół do sekcji stożkowej 114, do której przez wejście 138 wprowadzane jest w przeciwprądzie powietrze w tym celu aby wydmuchać pewne pozostałe ochłodzone materiały schodzące z komory 110 przez wylot 140, jak to zostanie opisane bardziej szczegółowo poniżej.

Podczas działania urządzenia, cząstki po wprowadzeniu do komory 110 wchodzą w styczność z łukiem plazmowym 105 i ' zostają podgrzane do wysokiej temperatury w otoczeniu, w którym łuk plazmowy 105 krąży lub wiruje, jak to pokazano za pomocą strzałki A na rysunku fig. 7 i 8, z większą prędkością niż osiągalna za pomocą dotychczas stosowanych metod lub urządzeń.

Na rysunku fig. 7 ukazano konkretną realizację reaktora plazmowego w rzucie ku dołowi od katody 106 do anody 108 wzdłuż łuku plazmowego 105 w komorze reakcyjnej 110. Obszar między katodą a anodą będzie dalej określany jako strefa reakcji 118. Strefa reakcji 118 zawiera zwykle gaz nadający się do utworzenia plazmy, gdy między anodą 108 a katodą 106 przyłożone zostaje dostateczne napięcie ze źródła zewnętrznego (nie uwidocznionego na rysunku). Ścieżkę łuku plazmowego 105 od katody 106 do anody 108 nazywa się dalej osią strefy reakcji. Jak pokazano na rysunku, łuk plazmowy 105 jest skierowany od katody 106 do wieloczłonowej anody pierścieniowej 108 złożonej z ośmiu oddzielnych, elektrycznie od siebie odizolowanych członów, do których kolejno kierowany jest łuk plazmowy, co daje w wyniku obroty łuku. Rozczłonkowana anoda o co najwyżej sześciu członach została uprzednio opisana w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych nr 4361441, którego treść traktuje się jako odnośnik literaturowy ujawniający konstrukcję takiej anody. W urządzeniu opisanym w tym dokumencie wzbudzanie kolejnych członów anody powoduje wirowanie łuku z prędkością do około 6 000 obr./min. zgodnie z częstotliwością wzbudzania poszczególnych członów. W celu sekwencyjnego wzbudzenia członów anody stosuje się przełączniki elektryczne. Dla wspomożenia obrotów łuku plazmowego urządzenie według przytoczonego opisu patentowego Stanów Zjednoczonych nr 4361441, stosuje również wirujące pole magnetyczne, co dzięki temu, że plazma posiada ładunek, powoduje, że łuk podlega sile prostopadłej do zastosowanego pola magnetycznego i do wektora prędkości łuku. Do wytwarzania wirującego pola magnetycznego stosuje się układ cewek cylindrycznych ułożonych wokół krawędzi ścieżki łuku plazmowego i wzbudzanych kolejno przez źródło zewnętrzne.

Jak już powiedziano, w reaktorze plazmowym 100 stosuje się wieloczłonową anodę 108, jednak w odróżnieniu do urządzenia opisanego wyżej, znanego z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych nr 4 361 441, w reaktorze plazmowym 100 nie stosuje się żadnych obwodów przełączania elektrycznego w celu spowodowania, aby łuk plazmy przeskakiwał z jednego członu anody 108 na drugi. Natomiast, jak to szczegółowo opisano poniżej, w celu wprowadzenia łuku plazmowego 105 w ruch wirowy poprzez kolejne człony anody 108 - jak to unaocznia strzałka A -zastosowano pole magnetyczne. Oznacza to, że prędkość obrotowa łuku plazmowego 105 nie zależy od częstości, z jaką możliwa jest zmiana stanów przełączników elektrycznych. Można zatem osiągnąć znacznie wyższe prędkości obrotowe - do około 30000 obr./min. - niż to było możliwe w dotychczasowych urządzeniach.

Jak pokazano na rysunkach fig. 7 i 8, wieloczłonowa anoda pierścieniowa 108 ma liczne cewki cylindryczne 120 rozmieszczone okrężnie po krawędzi. Każda z cewek 120 jest nawinięta na rdzeniu pierścieniowym o niskim oporze magnetycznym 122, którego oś jest zorientowana prostopadle do osi strefy reakcji 118. W korzystnym przykładzie realizacji tego urządzenia są dwie cewki 120 dla każdego członu anody 108, umieszczone co 90° po każdej stronie danego członu. Tak więc całkowita liczba cewek 120 jest dwa razy większa niż liczba członów anody 108. Na rysunku fig. 7 i 8 pokazano anodę ośmioczłonową z członami oddzielonymi materiałem izolacyjnym 124. Jednak dla prostoty na rysunku fig. 7 pokazano tylko cztery cewki oznaczone 120a, 120a', 120b, 120b'. Człon anody 108a jest połączony elektrycznie z cewkami 120a i 120a', natomiast człon anody 108b

165 331

-z cewkami 120b i 120b'. Cewki 120a i 120b są nawinięte na tę samą część 126 rdzenia 122 w odwrotnych kierunkach. Podobnie cewki 120a' i 120b' są nawinięte na przeciwległą część rdzenia 122. Każda z cewek 120 jest także przyłączona do gruntu elektrycznego oznaczonego jako element 130. W ten sposób na każdym członie anody jest utrzymywany stały potencjał elektryczny przez dwie ścieżki· biegnące do gruntu poprzez cewkę cylindryczną 120 umieszczoną na krawędzi strefy reakcji 118 i tak zorientowaną, aby jej podłużna oś była prostopadła do linii nakreślonej od środka anody pierścieniowej 108 do danego członu anody, do którego jest ona przyłączona. Gdy między katodą 106 a danym członem anody zachodzi wyładowanie łuku plazmowego 105, przez ten człon anody i do gruntu przepływa prąd elektryczny wzbudzając dwie cewki cylindryczne związane z danym członem (to znaczy cewki 120a i 120a'). Zadaniem cewek 120 jest wytworzenie pola magnetycznego zorientowanego promieniście i skierowanego ku (lub od) członu anody przewodzącego wyładowanie plazmy. Jak pokazano na rysunku fig. 7, przy wzbudzeniu para cewek 120a i 120b rozmieszczona po przeciwnych stronach krawędzi ścieżki łuku wytwarza promieniście zorientowany wektor pola magnetycznego B1. Pole magnetyczne Bi powoduje zatem, że łuk plazmowy 105 podlega skierowanej po obwodzie sile pod kątami prostymi do B1, która jest proporcjonalna do prędkości osiowej wzdłuż ścieżki od katody do anody.

Tak więc reaktor plazmowy 100 działa w sposób następujący: Wszystkie człony anody są uziemione (lub połączone z innym obszarem stałego potencjału) przez odrębne ścieżki, z których każda przebiega poprzez cewkę cylindryczną 120. Po wstępnym wzbudzeniu katody, gdy osiągnięty zostaje potencjał rozbicia gazu, w komorze reakcyjnej następuje wyładowanie plazmowe pomiędzy katodą 106 a jednym spośród członów anody 108 i wytwarza się ścieżka przewodząca plazmy. Pod nieobecność innych sił wyładowanie pozostawałoby stacjonarne lub przeskakiwałoby losowo z jednego członu anody na inny. Jednakże pole magnetyczne B1 wymusza ruch łuku po obwodzie i powoduje, że przeskakuje on na sąsiedni człon anody. Z kolei ten człon anody wzbudza następną parę cewek cylindrycznych, co powoduje dalszy obrót łuku plazmy do sąsiedniego członu anody i tak dalej. W ten sposób łuk plazmy musi obracać się w sposób ciągły, z prędkością niezależną od częstotliwości jakichkolwiek przełączeń elektrycznych.

W celu nadania plazmie jeszcze większej prędkości kątowej w reaktorze 100 zastosowano jeszcze jedną cewkę cylindryczną 132 nawiniętą wokół krawędzi strefy reakcji 118 i współosiową z osią strefy reakcji 118. Wzbudzona przez zewnętrzne źródło zasilania współosiowa cewka cylindryczna 132 wytwarza tedy jeszcze jedno pole magnetyczne B2, skierowane osiowo wzdłuż ścieżki łuku plazmy, przedstawionej na rysunku fig. 8. Pole B2 powoduje, że wszystkie naładowane cząstki poruszające się z promienistą lub obwodową składową prędkości znajdują się pod wpływem siły skierowanej prostopadle do tej składowej prędkości. Składnik prędkości skierowany po promieniu nadawany jest łukowi plazmy przez ułożenie członów anody po krawędzi, co sprawia, że łuk plazmy wychyla się po promieniu na zewnątrz. Pole magnetyczne B2 przekształca więc skierowany po promieniu moment liniowy ruchu naładowanych cząstek na moment kątowy, wywołując ruch obrotowy łuku. Ponadto powstały dzięki temu składnik obwodowy prędkości wirującej plazmy (wywołany przez obydwa pola magnetyczne B1 i B2) podlega działaniu pola B2, co przyciąga łuk promieniście do wewnątrz. To z kolei dostarcza siły dośrodkowej niezbędnej do utrzymania szybkich obrotów.

Dotychczasowe sposoby wymuszania ruchu obrotowego łuku plazmy, takie jak opisane w cytowanym uprzednio opisie patentowym Stanów Zjednoczonych nr 4 361 442, opierały się wyłącznie na wirowaniu zewnętrznego pola magnetycznego wprawianego w ruch obrotowy za pomocą przełączników elektrycznych oraz kolejnego wzbudzania członów anody również za pomocą przełączników elektrycznych. Oznacza to, że prędkość kątowa plazmy nie mogła być większa niż częstość przełączania elektrycznego. Natomiast obecne urządzenie nie ma takich ograniczeń i dlatego może nadawać łukowi plazmy znacznie większą prędkość obrotową.

Tak więc w praktycznym wykorzystaniu tego urządzenia w sposobie odsiewania cennych substancji mineralnych z materiałów sypkich zawierających składniki mineralne, jako gazu plazmowego do wytworzenia czystego tlenku glinu i tlenku tytanu z frakcji popiołów lotnych osadzonej w etapie oddzielania pneumograwitacyjnego używano powietrza atmosferycznego lub czystego tlenu. Temperatura wytworzona w komorze reakcyjnej 110 reaktora plazmowego 100 wynosiła około 10 000°K, zaś wymuszona prędkość wirowania łuku po obwodzie ośmioczłonowej anody 108

165 331 wynosiła około 16 000 obr./min.. Materiał sypki wprowadzany był od góry do pionowo ustawionej komory reaktora 110 przez kanały 116 w takim tempie, aby cząstki opadały po spirali poprzez łuk plazmowy z prędkością około 5 kg/s.

W miarę jak cząstki opadają poprzez łuk plazmowy w komorze reakcyjnej 110, ich cenne składniki mineralne (takie jak tlenek glinowy i tlenek tytanu) topią się, natomiast pozostałe składniki wprowadzanego materiału sypkiego, takie jak magnez bądź krystalizują, bądź wyparowują. Po opuszczeniu komory reakcji 110, po przejściu w pobliżu anody 108, materiały wchodzą do cylindrycznej komory chłodzenia 112 i schodzą stamtąd poprzez gradienty temperatury, podczas gdy stopione substancje mineralne skupiają się w stosunkowo gęste cząstki, skrystalizowane pozostałości tworzą cząstki pyłowe, zaś składniki odparowane tworzą gazy. Następnie, w miarę jak ochłodzone składniki docierają do niższych sekcji komory chłodzenia 112, osiągają one płytę zdawczą 134, której celem jest oddzielenie stosunkowo gęstszych aglomeratów mineralnych, takich jak tlenek glinowy i tlenek tytanu od innych opadających materiałów. Ponadto płyta 134 skierowuje wydzielone cząstki mineralne we właściwym kierunku w dół poprzez sekcję stożkową 114, aby umożliwić ich zebranie na dnie 136 sekcji stożkowej 114.

W sekcji 114 zawirowany przeciwprąd powietrza zostaje skierowany z wlotu 138 ku górze do wylotu 140, aby spowodować oddzielenie towarzyszących zgęstkom mineralnym cząstek pyłowych i gazów oraz wydmuchnięcie ich z reaktora 100 przez rurę wylotową 141 umocowaną przy wylocie 140.

Rura wylotowa 142 jest konstrukcyjnie związana z wlotem 138. Oś 144 rury 142 jest ustawiona pod kątem X do osi poziomej 146 i przechodzi przez punkt środkowy wlotu 138. Zatem kąt X zasadniczo określa kąt wlotu powietrza do sekcji stożkowej 114 reaktora 100. W korzystnym przykładzie realizacji tego urządzenia kąt X powinien wynosić około 15°. Jednakże wielkość kąta X dla każdego poszczególnego procesu zależy od rozmaitych czynników, w tym od prędkości powietrza wprowadzanego przez wlot 138, od ciężaru właściwego poddawanych obróbce materiałów oraz od kąta pochylenia stożka (kąt Y na rysunku fig. 6). W związku z tym należy zauważyć, że dla materiałów o bardzo dużym ciężarze właściwym, kąt X można zwiększać aż do 90° (wówczas powietrze będzie wprowadzane z dna 136 stożka 114).

Korzystnie kąt Y nachylenia stożka 114 wynosi około 30°. Jednakże stwierdzono eksperymentalnie, aż dla przeróbki materiałów o wysokim stężeniu żelaza i chromu, jak przykładowo surowce pochodzące z odlewni, kąt X powinien mieścić się w przedziale od około 0° do około 37°, a kąt Y - w przedziale od około 10° do około 30°.

Dla surowców o wysokiej koncentracji miedzi, niklu lub kobaltu takich jak surowce pochodzące z kopalń i odlewni, kąt X powinien mieścić się od około 5° do około 30°, zaś kąt Y - w przedziale od około 15° do około 40°. Dla surowców o wysokim stężeniu cyrkonu, takich jak surowce pochodzące z piasku morskiego, kąt X powinien mieścić się w przedziale od około 0° do około 15°, zaś kąt Y - w przedziale od około 30° do około 40°. Dla materiałów o wysokiej zawartości tlenku glinowego i tlenku tytanu kąt X powinien mieścić się w granicach od około 0° do około 30°, zaś kąt Y - w przedziale od około 20° do około 40°.

Aby uwzględnić tak znaczną rozmaitość konfiguracji kątowych dla różnych surowców, w jednej wersji urządzenia 100 sekcja stożkowa 114 reaktora dostarczana jest jako część wymienna tak, że na korpusie reaktora 100 można wedle potrzeby instalować różnie ukształtowane końcówki.

Inną ważną cechą konstrukcji sekcji stożkowej 114 reaktora 100 jest umiejscowienie wlotu 138 i związanego z nim wlotu powietrza 142. Stwierdzono, że w korzystnym przykładzie realizacji punkt środkowy wlotu 138 powinien znajdować się na wysokości h1 ponad dnem 136 sekcji stożkowej 114, to jest na około 1/4 wysokości całkowitej hs sekcji 114. Wysokość hs dla dowolnej wersji sekcji stożkowej 114 można wyliczyć jako funkcję kąta Y stożka 114 z równania:

h₃= 1/2dstgY w którym ds oznacza średnicę stożka 114 przy poziomej górnej krawędzi 148 sekcji stożkowej 114. Średnicę ds sekcji stożkowej 114 można obliczyć z innego równania:

ds= 1,2 dr w którym dr oznacza promień cylindrycznej komory chłodzenia 112.

Inną ważną cechą konstrukcji reaktora 100 jest sekcja ścianki 150 umieszczonej pod odpowiednim kątem do poziomej podstawy 152 cylindrycznej komory chłodzenia 112 i do poziomej

165 331 krawędzi 148 sekcji stożkowej 114. Ścianka 150 łączy po obwodzie i szczelnie spaja komorę 112 z sekcją stożkową 114. W korzystnym przykładzie iealinacji, ścianka 150 jest umieszczona pod kątem Z do poziomej krawędzi 148 sekcji 114. Kąt ten jest tak dobrany, że powietrze wprowadzane do sekcji 114prnrzwlot 138 pod kątem X zostaje skierowane przez ściankę 150 w pożądanym kierunku ku górze, aby weszło ono w styczność ze spadającym w dół komory chłodzenia 112 materiałem i aby dzięki temu stosunkowo lżejsze pyły i gazy znajdujące się tam, przemieszczały się ku górze przez centralnie umieszczony lej 154, na spotkanie z cząstkami spadającymi i aby te lżejsze materiały kierowały się do wylotu 140, skąd wychodzą przez rurę wylotową 141 i zostają zebrane jako produkty odpadowe z odsiewania chrmicnao-trimicznrgo.

W korzystnym przykładzie realizacji reaktora 100 kąt Z może mieścić się w granicach od około 35° do około 60°, najkorzystniej wynosi 45°. Jednakże kąt Z można zmieniać wedle potrzeby, aby wewnątrz sekcji stożkowej 114 uzyskać optymalne warunki aerodynamiczne dla kierowania powietrza wprowadzanego przez wlot 138 do wylotu 140 bądź to strumieniem bezpośrednim, bądź zawirowanym, spiralnym lub obracającym się

W razie potrzeby można rurę wylotową 141 połączyć urządzenie wentylujące (nie pokazane na rysunku fig. 6), aby ułatwić zbieranie materiałów odpadowych.

Prędkość powietrza wprowadzanego do sekcji stożkowej 114 jest kolejnym ważnym czynnikiem wpływającym na pracę reaktora 100. Stwierdzono na przykład, że na ogół prędkość powietrza wprowadzanego do sekcji 114 przez wlot 138 powinna mieścić się w zakresie od 1 do 20 m/s. Prędkość powietrza reguluje się zależnie od gęstości pozyskiwanych substancji mineralnych, stosując na ogół większe prędkości dla najcięższych cząstek, takich jak żelazo-chrom, natomiast niższe prędkości stosuje się do materiałów o niższych ciężarach właściwych. Przykładowo, gdy w reaktorze stosuje się jako surowiec popiół lotny, to jak stwierdzono, należy do sekcji stożkowej 114 reaktora 100 wprowadzać przez otwór wlot 138 powietrze rozpędzone do prędkości około 1,7 m/s.

Ponadto stwierdzono, że dla niektórych zastosowań reaktora 100 może być pożądane wbudowanie elektromagnesu 156 otaczającego pierścieniowo dolną sekcję cylindrycznej komory chłodzenia 112. W szczególności, aby wykonać niektóre zabiegi odsiewania na traktowanych plazmą materiałach pochodzących z żużla metalurgicznego lub z odlewni, działanie tego elektromagnesu 156 może dopomóc w odsiewaniu materiałów 'mineralnych od resztek. Jednakże przy obróbce popiołów lotnych takie wspomaganie elektromagnetyczne zazwyczaj nie jest potrzebne.

Chociaż wynalazek w korzystnym przykładzie realizacji opisany został w sposób uszczegółowiony, należy rozumieć, że powyższy opis przedstawiono jedynie w celu zilustrowania wynalazku. Liczne zmiany w szczegółach i poszczególnych czynnościach operacyjnych sposobu według wynalazku, jak też we właściwościach materiałów poddawanych obróbce są dopuszczalne i nie stanowią odstępstwa od ducha i zakresu wynalazku określonego w zastrzeżeniach patentowych.

124

16^331

165 331

POWIETRZE

POZYSKANE

SUBSTANCJE

MINERALNE

165 331

POWIETRZE

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena — 000 zł

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób odsiewania wartościowych substancji mineralnych z materiałów sypkich zawierających składniki mineralne, znamienny tym, że materiał sypki zawierający składniki mineralne poddaje się obróbce chemiczno-termicznej w łuku plazmowym wirującym z prędkością obwodową nie mniejszą niż 15 000 obrotów/minutę podgrzewając ten materiał do temperatury wyższej niż temperatura topnienia wyodrębnianych substancji mineralnych, po czym chłodzi się stopione cząstki z ich jednoczesną aglomeracją i rozdziela się otrzymany produkt sypki zbierając osobno frakcje o stosunkowo dużej gęstości, zawierające zasadniczo czyste pożądane substancje mineralne, a osobno lżejsze frakcje opadowe.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że materiał sypki zawierający składniki mineralne oraz gaz plazmowy wprowadza się jednocześnie do komory reakcyjnej reaktora plazmowego, poddaje się gaz jonizacji i wytwarza się w strefie reakcji wirującej wyładowanie łukowe w plazmie przez przyłożenie dostatecznie wysokiego napięcia przepływającego przez elektrody, z których jedna jest katodą, druga zaś - wieloczłonową anodą pierścieniową, o członach elektrycznie odizolowanych od pozostałych, obracające się po obwodzie wieloczłonowej anody z prędkością nie mniejszą niż 15000obr./min., wirujące wraz z materiałem sypkim, przez co podgrzewa się ten materiał do temperatury wyższej niż temperatura topnienia wyodrębnianych substancji mineralnych, po czym odbiera się stopiony materiał poddawany obróbce rozproszony w strumieniu gazu ze strefy reakcji i kieruje się go do strefy chłodzenia, gdzie następuje aglomeracja zestalających się cząstek, po czym rozdziela się otrzymany produkt sypki i zbiera osobno frakcje zawierające pożądane substancje mineralne a osobno lżejsze frakcje odpadowe.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że rozdział produktu sypkiego otrzymanego w strefie chłodzenia prowadzi się poddając strumień opadających grawitacyjnie cząstek stałych działaniu przeciwprądu powietrza, unoszącego lżejsze odpadowe frakcje do góry i pozwalającego opaść zaglomerowanym cząstkom o wyższej gęstości zawierającym pożądane substancje mineralne, po czym zbiera się oddzielnie rozdzielone frakcje.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że obróbce poddaje się materiał sypki, którego cząstki mają promień mniejszy niż około 0,1 mm.
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że obróbce poddaje się materiał wybrany z grupy obejmującej: popiół łotny, pył piecowy, żużel, węgiel, odpady odlewnicze, odpady kopalniane, piasek morski, mieszaniny tych materiałów oraz frakcje wyodrębnione z tych materiałów.
6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że obróbce poddaje się odpady odlewnicze mające postać żużla metalurgicznego wytworzonego w procesie produkcji żelazochromu.
7. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że obróbce poddaje się popiół lotny wytworzony z żużla wielkopiecowego.
8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako zasadniczo czyste pożądane substancje mineralne, wyodrębnia się substancje należące do grupy obejmującej: tlenek glinu, tlenek tytanu, żelazo, chrom, nikiel, kobalt, ołów, cynk, miedź, cyrkon i ich połączenia.
9. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że zebrane lżejsze frakcje odpadowe poddaje się dalszej obróbce w celu otrzymania cementopodobnych materiałów budowlanych.
10. Reaktor plazmowy do odsiewania wartościowych subs tancji minerainych ί. materiałów sypkich, posiadający dwie stacjonarne elektrody, z Plózych jedna ma kształt pierścienia i podzielona jest na wiele członów wzajemnie odizolowanych elektrycznie od siebie oraz strefę reakcji pomiędzy tymi elektrodami, przez którą przebiega łuk plazmowy gdy do tych elektrod przyłożone jest dostatecznie duże napięcie, znamienny tym, że ma strefę reakcji (118) w komorze reakcji (110), której osią podłużną jest linia pionowa wytyczona od pierwszej stacjonarnej elektrody (106) do

165 331 środka drugiej wieloczłonowej, pierścieniowej elektrody (108), oraz cewki cylindryczne (120), przyłączone pomiędzy każdym członem drugiej elektrody (108) a obszarem stałego potencjału (130), przy czym każda cewka (120) umieszczona jest w punkcie znajdującym się na obwodzie drugiej elektrody (108), w odstępie 90° od tego członu elektrody (108) do którego jest przyłączona i zorientowana tak, że jej oś podłużna jest równoległa do linii wytyczonej od środka drugiej elektrody (108) do tego członu tej elektrody (108), do którego ta cewka (120) jest przyłączona, a przeznaczony zwłaszcza do odsiewania wartościowych substancji mineralnych z materiałów sypkich zawierających składniki mineralne.
11. Reaktor według zastrz. 10, znamienny tym, że każdy z członów (108a, 108b) drugiej elektrody (108) jest przyłączony do obszaru stałego potencjału (130) poprzez obwód zawierający dwie cylindryczne cewki (120a, 120a' 120b i 120b') ułożone na obwodzie drugiej elektrody (108) i ulokowane w odstępie 90°, po każdej stronie członu (108a, 108b) drugiej elektrody (108), do którego te cewki (120a i 120a', 120b i 120b') są przyłączone , przy czym te cewki są tak zorientowane, że ich osie podłużne są równoległe do linii wytyczonej od środka drugiej elektrody (108) do tego jej członu (108a, 108b), do którego są one przyłączone.
12. Reaktor według zastrz. 10, znamienny tym, że cewki cylindryczne (120) rozmieszczone na obwodzie drugiej elektrody (108) są nawinięte na pierścieniowym rdzeniu (122) o niskim oporze magnetycznym.
13. Reaktor według zastrz. 10, znamienny tym, że ma dodatkowo współosiową cewkę cylindryczną (132), która otacza strefę reakcji (118) tak, że cewka ta ma oś podłużną współbieżną z osią pionową komory reakcji (110) w celu wytworzenia osiowo zorientowanego pola magnetycznego, gdy współosiowa cewka cylindryczna (132) jest zasilana.
14. Reaktor według zastrz. 10, znamienny tym, że jest wyposażony w strefę chłodzenia (112) umieszczoną pionowo pod komorą reakcji (110), a to w celu przyjmowania materiałów podgrzanych w strefie reakcji (118) oraz umożliwienia ostygnięcia przed ich zebraniem.
15. Reaktor według zastrz. 14, znamienny tym, że pionowo poniżej strefy chłodzenia (112) ma strefę (114) przeciwprądu powietrza, który oddziaływa na schłodzone materiały w taki sposób, że odsiewane wartościowe substancje mineralne przechodzą przez tę strefę i zostają zebrane na jej dnie (136), natomiast pozostałości zostają usunięte w celu zebrania ich gdzie indziej.
16. Reaktor według zastrz. 15, znamienny tym, że strefa przeciwprądu (114) jest sekcją stożkową, zaś przeciwprąd skierowany jest ku górze od wlotu (138) do sekcji stożkowej do wylotu (140) z niej strumienia powietrza wraz z frakcjami odpadowymi.
17. Reaktor według zastrz. 16, znamienny tym, że kąt (Y) pochylenia stożka zawiera się w granicach od około 0° do 40°.
18. Reaktor według zastrz. 17, znamienny tym, że kąt (X) wejścia powietrza do sekcji stożkowej wynosi około 15°.
19. Reaktor według zastrz. 16, znamienny tym, że punkt środkowy wlotu (138) umieszczony jest w około 1/4 wysokości całkowitej sekcji stożkowej, mierzonej od dna (136) sekcji stożkowej.
20. Reaktor według zastrz. 16, znamienny tym, że sekcję łączącą po obwodzie wspomnianą komorę chłodzenia (112) i sekcję stożkową stanowi ścianka (150) ustawiona pod kątem (z) od około 35° do 60° w stosunku do górnej poziomej krawędzi (148) sekcji stożkowej.