CC BY
31
- © Р. Вайти, X. Виндсхаймер,
П. Вюббен, В.В. Юхно, 2015
УЛК 66.04
Р. Вайти, X. Виндсхаймер, П. Вюббен, В.В. Юхно
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТРУБЧАТЫХ ВРАЩАЮЩИХСЯ ПЕЧЕЙ В ГОРНООБОГАТИТЕЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Описаны строение ВТП и основы ВТП-процесса, а также проиллюстрированы их применения для добычи редкоземельных металлов из отходов уранового производства и для прокаливания оксидов урана. Ключевые слова: врашаюшаюшаяся трубчатая печь, редкоземельные металлы, уран, торий, рециклинг, нагрев сопротивлением, микроволновый нагрев.
Из-за более жестких экологических норм и растущих затрат на утилизацию становится все более интересен внутрепроизводственный рециклинг отходов, часто с требуемой промежуточной обработкой. Путем термической обработки возможно разложение или непосредственное испарение мешающих примесей органического типа, например, смазочных или консервирующих масел.
Более того, новейшие достижения в инновационных технологиях, в таких областях как электрические автомобили или возобновляемая энергия, повысили спрос на редкоземельные элементы (РЗЭ). Кроме того, 438 атомные электростанции находятся на данный момент в эксплуатации и еще 67 находятся в стадии строительства, и в ближайшие несколько лет будут введены в эксплуатацию [1]. В связи с увеличением спроса на закиси-окиси урана (и02) создается дефицит ядерного топлива на основе урана.
Это приводит к глобальной необходимости изучения новых источников сырья РЗЭ, важнейшим из которых являются промпродукты и техногенные отходы металлургических и химических предприятий [2], урана, и, как следствие, к необходимости использования оборудования термических процессов для переработки РЗЭ и оксидов урана.
Одним из решений проблемы является ВТП, которая работает в непрерывном режиме, без накопительных резервуаров, в то же время обеспечивает хорошее перемешивание частиц, так что воздействие температуры и атмосферы на материал остается однородным.
Основной принцип ВТП основывается на вращательно-поступательном движения материала в несколько наклонной трубе (рис. 1).
Нагрев в ВТП может быть прямым или косвенным. При прямом нагреве реторту обычно нагревают горелками непосредственно изнутри. Преимущество этого способа в том, что тепловая нагрузка на реторту, при соответствующей теплоизоляции, практически не ограничена. Теплоизоляция может быть расчитана так, чтобы реторта снаружи оставалась относительно прохладной и свободно доступной со всех сторон. Выбор материалов и возможностей для механической опоры, привода и т.д., не ограничены. Таким образом, возможны очень большие размеры, например, для цементной промышленности. Недостатком является смешивание образующихся газов горения с рабочими газами выделяющимися во время процесса.
В отличие от прямого нагрева косвенный нагрев осуществляется снаружи реторты. Теплопередача к продукту происходит через нагретую стенку реторты. При этом нагрев может быть как электрическим так и газовым. В отличие от электрического нагрева, газовые печи требуют более сложную инфраструктуру, высокие инвестиционные затраты и меры предосторожности. Для лабораторного использования или для работы опытных установок с малой пропускной способностью у газовых горелок есть нижняя граница, образующаяся за счет маленькой мощности нагрева. Управление же температурой в ВТП с электрическим подогревом остается очень точным даже при низкой мощности нагрева и необходимость в запасных частях, при непрерывном режиме работы, ниже [3]. Кроме того печь может быть оснащена дополнительными газоплотными загрузочной и разгрузочной головками, устройством подачи газа и сенсорными элементами для создания уонтролли-руемой среды.
Рис. 1. Схема газоплотной водородной трубчатой вращающейся печи для переработки оксидов урана
Реторта вращается при помощи элетродвигателя управляемом преобразователем частоты. Время пребывания материала в печи может быть изменено за счет изменения частоты вращения или угла наклона реторты.
В зависимоси от температуры и вида обжигаемого продукта могут применятся разные материалы для реторты.
Обычные материалы для металлических реторт, в зависимости от применения и химической нагрузки, 1.4841 до 1050 °С (аналог 20Х25Н20С2 по ГОСТу 5632 - 72), 1.4828 до 950 °С (аналог 20Х20Н14С2 по ГОСТу 5632 - 72), 1псопе1 до 1150 °С и АРМТ® (РеСгА1) до 1300 °С. Металлические реторты обладают механической прочностью, разрешают высокие скорости нагрева и охлаждения, обеспечивают легкий монтаж внутренних элементов, например, шнеков или скребков. Низкая твердость, за счет износа, может привести к загрязнению обжигаемого продукта.
Для особенно чувствительных процессов применяются ретроты из кварца. Максимальная температура применения реторт из кварца 1050 °С. Кварцевые реторты так же могут применятся при более высоких температурах, но при охлаждении ниже 600 °С происходит рекристаллизация, которая может привести к разрушению реторты. Реакция с обжигаемым
продуктом исключена, если сам кварц не будет подвержен воздействию. Кроме того, кварц обладает очень хорошей стойкостью к тепловому удару.
Для более высоких температур или абразивных продуктов применяются керамические реторты (А1203, 2г02, ЭЮ2). Они могут применяться при высоких температурах до 1700 °С. При шликерной отливке максимальные размеры реторт очень ограничены. С помощью дорогих реторт изготовленных плазменым напылением могут быть реализованы более габаритные размеры. Для этого используются А1203 -материалы с содержанием А1203 60 - 99,7 % в зависимости от температур. Также высокую чувствительность к пространственным температурным градиентам следует учитывать при проектировании печи и загрузке больших количеств холодного обжигаемого продукта. Для больших керамических труб рекомендуются меры по снижению температурного распределения на конце реторты по предварительному модельному расчету [4].
Нагрев ВТП бывает газовый, сопротивлением, индукционный, микроволновый (СВЧ) или микроволновогибридный.
Поскольку стандартные типы нагревателей подвергаются воздействию воздуха, используются обычные материалы из печной промышленности. РеСгА1 (АРМ®) до 1400 °С, МоЭ12 до 1850 °С температура нагревательного элемента. При этом температура в реторте составляет около 50-100 °С ниже температуры нагревательного элемента.
Нагрев планируется приемущественно многозоновый, так как в реторте могут протекать различные реакции:
• нагрев и сушка порошка (высокая энергетическая потребность)
• экзотермическая или эндотермическая реакции
• выдержка или охлаждение, с компенсацией потерей тепла или охлаждения
При нагреве СВЧ или СВЧ-гибридном применяются реторты из кварцевого стекла, керамические или металлические. При применении металлических реторт ввод микроволн происходит с торцевых сторон. При СВЧ-гибридном нагреве дополнительно применяется нагрев газом или сопротивлением.
Неотъемлемой частью современного оборудования является система управления. Новейшие достижения техники позволяют полностью автоматизировать процессы. Современнейшая техника безопасности обеспечивает безопасную работу для оператора и окружающей среды. Комплексная и удобная система оповещения может производится, например, посредством компонентов Siemens (S7). Управление оборудованием может быть полностью разработано в соответствии требованиям клиента. Пользовательский интерфейс может быть реализован от ручного до удобной визуализации. Распространенными системами управления являются SIMATIC S7, Stange, Jumo и т.д.
ВТП включены в процесс добычи РЗЭ из монацитных отходов уранового производства (рис. 4). Кроме сушки руды в ВТП может быть так же реализован впрыск серной кислоты. При этом создается коррозионноактивная среда при повышенных температурах с высоким содержанием серной и фосфорной кислоты. Эти условия могут выдержать специальные коррозионно-стойкие стали (например, X1NiCrMoCu32-28-7).
Для достаточного перемешивания или предотвращения слипания продукции внутренняя поверхность реторты может быть оснащена лопастями или цепями.
Вращающиеся валки могут размельчить агломерированный порошок. При этом непрерывная сульфатизация в ВТП снижает потребление серной кислоты до соотношения 1:1, ссылаясь на обрабатываемое количество монацита [5].
Рис. 2. ВГТП для сушки моноцита(впереди: Р0ИК-5-1400/10800/450, производительность 2500 кг/ч, диаметр реторты 1400 мм, длина нагрева 10800 мм,) а так же для сульфатизации (сзади: РЮИК-5-1800/10800/550, производительность 1000 кг/ч, диаметр реторты 1800 мм, длина нагрева 10800 мм), слева: реторта оснащена лопастями для улучшеного перемешивания
Кроме того, ВТП применяются в производстве закись-окиси урана для хранения или транспортировки урана или урандиоксида для ТВЕЛов.
U3O8 производится путем отжига любых оксидов урана или некоторых ураносодержащих солей в атмосфере воздуха при температуре 800 - 900 °C. UO2 производится способом восстановления U3O8 в среде водорода при температурах до 1000 °C [6]:
Подходящим устройством для непрерывного производства U3O8 является одно- или многозонная ВТП, в зависимости от размера и влажности исходного материала, с последовательным вращающимся трубчатым охладителем. Если исходный материал содержит влагу, наилучшим образом подходит многозонная печь с отводом газов в противотоке. Многозонный режим работы позволяет настроить оптимальный температурный режим, который положительно влияет как на энергоэффективность так и на срок службы реторты. Отвод газов в противотоке обеспечивает двухступенчатый процесс в одной печи, а именно сушка и обжиг, с хорошим качеством продукции на выходе.
Вращающиеся трубчатые печи можно использовать там, где необходима термообработка сыпучих материалов. Компания Linn High Therm GmbH имеет 45-ти летний опыт по производству термического оборудования и предлагает печи с электическим нагревом в разных модификациях и размером диаметра реторты до 2000 мм и длины зоны нагрева до 12000 мм.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. http://www.iaea.org/PRIS/ состояние на 06.07.2015
2. Абишева З.С. Извлечение редких и редкоземельных металлов из техногенных отходов металлургических и химических производств Казахстана; ТЕХНОГЕН 2012, с. 183 - 186; ISBN 978-5-4430-0004-6.
3. Вюббен П. Widerstandsbeheizte Drehrohrufen zur Wärmebehandlung von seltenen Erden und Quarzsand. Elektrowärme international Heft 4/2011, Dezember, S. 279-283.
4. Вайтц Р. Drehrohrufen in der keramischen Industrie. Praxishandbuch Thermoprozesstechnik, Band II: Anlagen - Komponenten - Sicherheit. Hrsg.:
H. Pfeifer, B. Nacke, F. Beneke. 2nd Ed. Essen, 2011; ISBN-13: 9783802729485.
5. Виндсхаймер X., Вайтц P., Юхно В. Selected Applications for Rotary Tube Furnaces in Rare Earth and Thorium/Uranium Processing. Process engineering DKG 91 (2014) No. 5, E33 - E36.
6. Маслов A.A., Каляцкая Г.В., Амелина Г.Н., Водянкин А.Ю., Егоров Н.Б. Технология урана и плутония: учебное пособие; 2-е изд. - Томск: Издательство томского политехнического университета, 2008; ISBN 5-229-00846-6.
[ÎTTT3
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Вайтц Р. - специалист по продажам, waitz@1inn.de,
Виндсхаймер X. - доктор технических наук, инженер разработчик,
windsheimer@1inn ^е,
Вюббен П. - доктор технических наук, технический директор, wuebben@1inn.de,
Юхно В. - инженер разработчик, yukhno@1inn.de, Линн Хай Терм Гмбх.
А
UDC 66.04
ROTARY KILNS IN THE MINING INDUSTRY
Waitz R., sales engineer, Linn High Therm GmbH, Germany, Windsheimer H., development engineer, Linn High Therm GmbH, Germany, Wyubben P., technical manager, Linn High Therm GmbH, Germany, Yukhno V., technical manager, Linn High Therm GmbH, Germany.
In this article are described foundations, construction of a rotary kiln. Applications are presented for the extraction of rare earths from waste products from uranium production and uranium oxides by calcination.
Key words: rotary kiln, rare earths, uranium, thorium, recycling, resistance heating, microwave heating.
REFERENCES
1. http://www.iaea.org/PRIS/ sostojanie na 06.07.2015
2. Abisheva Z.S. Izvlechenie redkih i redkozemelnyh metallov iz tehnogennyh othodov metallurgicheskih i himicheskih proizvodstv Kazahstana (Extraction of rare metals from industrial wastes of metallurgical and chemical industries of Kazakhstan); TEHNOGEN 2012, pp. 183-186; ISBN 978-5-4430-0004-6.
3. Vjubben P. Widerstandsbeheizte Drehrohrufen zur Wärmebehandlung von seltenen Erden und Quarzsand. Elektrowärme international Heft 4/2011, Dezember, pp. 279-283.
4. Vajtc R. Drehrohrufen in der keramischen Industrie. Praxishandbuch Thermopro-zesstechnik, Band II: Anlagen Komponenten Sicherheit. Hrsg.: H. Pfeifer, B. Nacke, F. Beneke. 2nd Ed. Essen, 2011; ISBN-13: 978-3802729485.
5. Vindshajmer H., Vajtc R., Juhno V. Selected Applications for Rotary Tube Furnaces in Rare Earth and Thorium/Uranium Processing. Process engineering DKG 91 (2014) No. 5, E33 - E36.
6. Maslov A.A., Kaljackaja G.V., Amelina G.N., Vodjankin A.Ju., Egorov N.B. Tehnologija urana i plutonija: uchebnoe posobie (The technology of uranium and plutonium: a training manual); 2-e izd. - Tomsk: Izdatel'stvo tomskogo politehnicheskogo universiteta, 2008; ISBN 5-229-00846-6.
