RO130631A2 - Procedeu de recuperare a aluminiului prin utilizarea energiei microundelor la topirea deşeurilor de doze metalice - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un procedeu de obţinere a aluminiului secundar din deşeuri de aluminiu, respectiv, din cutii/doze de băuturi, prin topirea directă a acestora în câmp de microunde. Procedeul conform invenţiei constă în tăierea cutiilor/dozelor de Al în bucăţi de 1 cm, amestecarea acestora cu 10% dintr-un flux format din NaCl + KCl în raport de 1:1, compactarea amestecului într-o presă sub formă de brichete cu greutatea de 15 g, urmată de introducerea brichetelor într-un creuzet (5) realizat din SiC, al unui cuptor cu microunde unde are loc îndepărtarea materialelor organice şi a umidităţii la o temperatură de 500°C, când are loc piroliza materiilor organice din lacurile şi vopselele cu care sunt inscripţionate cutiile, topirea Al la temperaturi cuprinse în intervalul 750...800°C, în atmosferă inertă de azot la presiunea de 0,5 bari, timp de 20 min, îmbunătăţirea absorbţiei microundelor şi eficientizarea procesului de topire fiind realizate prin aplicarea, pe suprafaţa exterioară a creuzetului (5), a unui strat (4) cu grosimea de 2 cm dintr-un material susceptor de microunde, alcătuit din SiC şi silicat de sodiu.

Description

Procedeu de recuperare a aluminiului prin utilizarea energiei microundelor la topirea deșeurilor de doze metalice

Prezenta invenție se referă la un procedeu de obținere a aluminiului secundar din cutii/doze de băuturi, prin topirea directa in câmp de microunde.

Aluminiul este cel de-al treilea metal prezent in natura, din punct de vedere al abundentei. Acesta este reciclabil suta la suta, contribuind astfel la protecția mediului prin economisirea resurselor naturale si a energiei [1],

Beneficiile reciclării aluminiului sunt numeroase: i) retopirea aluminiului necesita cu 94% mai putina energie decât producția primara a metalului [2], si reduce cu 95% emisia de gaze cu efect de sera, ii) conduce la economii de materii prime (reciclarea un kilogram de aluminiu poate economisi aproximativ 8 kg de bauxita, patru de kilograme de produse chimice si 14 kWh de electricitate), iii) reduce cantitatea deșeurilor din depozitele de deșeuri [3, 4, 5],

Dozele de băuturi sunt produse finite utilizate si reprezintă o sursa importanta de aluminiu secundar. Dozele de aluminiu reciclate sunt reutilizate pentru producerea de cutii noi sau pentru fabricarea altor produse valoroase din aluminiu, cum ar fi: blocuri motoare, biciclete. In Europa, aproximativ 50 % din totalul aluminiului semi fabricat utilizat pentru producerea de noi cutii de băuturi si a altor produse de ambalare din aluminiu provine din aluminiu reciclat. Pentru cutiile de băuturi, aluminiul este aliat cu mangan și magneziu pentru asigurarea rezistenței și durității, având diferențe minime de compoziție și grosime pentru corpul cutiei și capacele acesteia [4], Aliajul conține: 1,2 % Mn, 1 % Mg (3004 ASTM) sau 0,35 % Mn si 4 % Mg pentru aliajul 5182 ASTM si Al rest.

Pentru a putea fi refolosite în totalitate (100 %), deșeurile de cutii de băuturi trebuie să fie curate și necontaminate.

Procedeul clasic de prelucrare a deșeurilor de cutii de aluminiu implica după colectare, reciclarea propriu-zisa a cutiilor din aluminiu care cuprinde separarea ambalajelor de aluminiu din amestecurile mixte de deșeuri, spălarea cutiilor cu apă, presarea și balotarea [6, 7], Balotii realizați urmează alte etape de procesare si anume: mărunțirea, îndepărtarea impurităților organice (acoperirilor), umidității și topirea.

Eliminarea impurităților aderente la suprafața deșeurilor de aluminiu se realizează prin mai multe metode, cea mai eficientă, din punct de vedere ecologic și economic fiind considerată piroliza [2], Materialele organice aderente sunt carbonizate la temperaturi coborâte, în atmosferă cu conținut scăzut de oxigen, fiind astfel separate de aluminiu. Lacurile și vopselele pentru marcarea și decorarea ambalajelor sunt eliminate prin insuflarea unui curent de aer cald la cca.500 °C, direct asupra deșeurilor mărunțite care se deplasează lent pe un conveior izolat intr-o incintă.

Deșeurile de aluminiu mărunțite sunt încărcate în cuptoare cu antecreuzete laterale cu capacitatea de 90 tone. Topirea are loc la temperatura de 750 °C. Cuptoarele sunt dotate cu pompe pentru circulația topiturii, dispozitive pentru imersia rapidă a deșeurilor și agitarea topiturii. Cuptoarele sunt dotate cu arzătoare regenerative și sistem automat de control al arderii pentru reducerea consumurilor energetice. Zgurile de la topirea aluminiului sunt periodic evacuate și apoi răcite în atmosferă de argon pentru evitarea oxidării aluminiului antrenat. Topitura rezultată este transferată într-un cuptor de menținere unde se poate face si o corecție a compoziției. Pe o instalație de turnare se obțin lingourile de aluminiu secundar.

U 0 0 3 0 1 -î 5 -04- 2014

Solidificarea lingourilor durează aproximativ 3 ore. Lingourile stripate sunt deformate plastic în mai multe trepte, până se obțin table din care se fabrică noile cutii.

In Marea Britanie a fost pusă în funcțiune de către societatea Alean Recycling prima linie tehnologică din Europa pentru reciclarea cutiilor de aluminiu, [6, 7]. Aici se retopesc ambalaje de la băuturi și se produc semifabricate din care se obțin, prin laminare, table pentru producția de noi cutii. O filiala a lui Alean Recycling utilizează pentru îndepărtarea acoperirilor organice de la suprafața cutiilor pentru băuturi, o tehnologie bazata pe principiul oxidării acestora într-un cuptor rotativ cu contracurent [7, 8], Cuptoarele de topire pot procesa anual până la 70.000 tone deșeuri. Se obțin semifabricate de calitate, care au 27 tone și 9 metri lungime.

Un alt exemplu de procesare a deșeurilor de cutii de aluminiu este cel realizat la uzina Kaal -Yennora în Australia, după aceeași succesiune de operații tehnologice: deșeurile de aluminiu fiind mai întâi sortate și apoi presate. Topirea se realizează la ~ 800°C, lingourile obținute sunt laminate in foi pentru fabricarea noilor cutii [6],

Progresul in domeniul topirii metalelor a vizat si utilizarea câmpului de microunde. Cuptorul de topire in câmp de microunde este o alternativă moderna, ecologica si eficienta energetic la echipamentele clasice, cu un mare potențial de aplicabilitate [9]. Prin acest sistem de încălzire, căldura este generată de un material ceramic care produce temperaturi de pana la 1000 ⁰ C si este superior comparativ cu cel convențional. Acest sistem asigura temperatura necesara topirii materialului din Al. De asemenea, acest sistem de încălzire cu microunde asigura valori de temperatura si viteze de încălzire ridicate [9, 10]. încălzirea cu microunde prezintă o eficientă ridicata de conversie a energiei electrice în căldură [11].

Brevetul US nr.4330698 descrie un cuptor in care materialul încărcat intr-un creuzet este încălzit si topit cu ajutorul energiei microundelor [12]. Cuptorul este alcătuit dintr-un ansamblu de doua corpuri conectate intre ele, cel inferior, detașabil, un creuzet amplasat in partea inferioara a cuptorului pe un sistem mobil si un ghid de undă pentru dirijarea microundelor de la generatorul de microunde către cuptor.

Un alt exemplu de metoda si aparat pentru topirea metalelor in câmp de microunde este cel descris de brevetul US nr.7011136 [13], Metalul este introdus intrun creuzet ceramic, izolat intr-o carcasa ceramica, in interiorul unei camere cu microunde in care se poate realizata o atmosfera neutra. După topire, creuzetul poate fi scos pentru turnarea metalului. Turnarea se poate face si în interiorul camerei prin picurare sau rularea unei matrite încălzite în interiorul acesteia.

Autorii brevetului WO 00/00311 descriu un procedeu de topire al metalelor in câmp de microunde in care compoziții metalice in cantitati mari si cu viteze de curgere staționara pot fi topite rapid, sau pana la un grad prestabilit, prin alunecarea acestora de-a lungul camerei cu microunde care conține un susceptor de microunde în contact termic cu fluxul metalic [14], Energia microundelor se propaga in cavitate si încălzește susceptorul de microunde. Energia termica rezultata este transferata in volumul metalului. Prin natura sa, metalul tinde sa fie un excelent conductor de căldură, transferul energiei termice de la susceptor prin tot volumul de metal avand foarte repede. Metoda se aplica topirii metalelor pure, aliajelor si compozițiilor intermetalice aflate sub diverse forme cum ar fi: foi, bare, fibre, pelete, fulgi, granule sau altele.

Din analiza efectuata rezulta ca procedeele clasice de obținere a aluminiului secundar din deșeuri prezintă o serie de dezavantaje cum ar fi: număr mare de operații tehnologice printre care si îndepărtarea materiilor organice de pe suprafața ^2014 0 0 3 0 1 -1 5 -04- 2014 deșeurilor de aluminiu si a umidității, instalații complicate cu multe parti componente, oxidarea frecventa a aluminiului in timpul topirii.

Metoda propusa de prezentul brevet, consta in obținerea aluminiului secundar intr-o singura etapa, prin topirea deșeurilor de cutii/doze de aluminiu in câmp de microunde.

Procedeul, conform invenției, înlătură dezavantajele soluțiilor tehnice cunoscute, prin aceea ca deseurile de cutii/doze de aluminiu se topesc intr-o singura etapa in câmp de microunde la temperaturi de 750 - 800 °C, in atmosfera inerta, in amestec cu fondanti, cum ar fi: NaCI+KCI, (NaCI+KCI)+NaF.

Invenția prezintă următoarele avantaje:

- procesare rapida prin utilizarea energiei microundelor pentru topirea directa a deșeurilor de cutii/doze de aluminiu, cu scăderea timpului de lucru la aprox. 20 min;

- consum redus de energie, materiale si materii prime;

- proces ecologic;

- instalația poate funcționa in regim continuu;

- metoda poate fi extinsa si pentru alte deșeuri de aluminiu, cum ar fi: rebuturi, resturi din debitări mecanice, deșeuri vechi (alte tipuri de ambalaje de aluminiu).

Instalația propusă (Figura 1), pentru obținerea aluminiului secundar din deșeuri de cutii/doze de aluminiu prin utilizarea energiei microundelor este compusă in principal din: cuptor (2), izolație termica (3), creuzet susceptor la microunde (5), generator de microunde (1), sistem admisie gaz inert (6) si termocuplu (7),

Se prezintă in continuare, doua exemple de realizare a invenției:

Exemplul 1. Șarja necesara experimentărilor (9) este constituita din: deșeuri de cutii/doze de aluminiu (1.000 g) si 100 g flux constituit dintr-un amestec NaCI+KCI in raport 1:1. Deseurile de aluminiu sunt taiate in bucăți de aproximativ 1 cm² si compactate intr-o presa sub forma unor brichete de cca.15 g. Brichetele se introduc intr-un creuzet realizat din carbura de siliciu (5), material susceptor la microunde. Pentru marirea eficientei de topire, pe suprafața exterioara a crezetului s-a aplicat un strat de cca.2 cm grosime dintr-un material susceptor de microunde alcătuit din SiC si silicat de sodiu (4).

Intre peretele exterior al creuzetului si incinta cuptorului (2) se afla un strat de izolație termica (3) constituit din fibra ceramica superaluminoasa, rezistenta la temperaturi de pana la 1600 °C. încălzirea materialului se realizează cu ajutorul a trei generatoare de microunde (1) de cate 800 W fiecare, montate pe pereții cuptorului.

Capacul cuptorului (8) este prevăzut cu o degajare pentru termocuplu Pt/Pt-Rh (7) si alta pentru sistemul de admisie a gazului inert (6). In incinta cuptorului se menține o atmosfera inerta cu azot, la o presiune de cca 0,5 barri.

Cuptorul se încălzește intr-o prima etapa la cca. 500 °C când are loc piroliza materiilor organice din lacurile si vopselele cu care sunt inscripționate cutiile de aluminiu. Ulterior temperatura se ridica la cca.750 * 800 °C pentru topirea aluminiului. Durata întregului proces este de cca.20 min. După topire, aluminiul se toarna in nacele încălzite. Lingoul de aluminiu cântărește 930g si are compoziția chimica: 0,76 % Mn, 1,40 % Mg si Al rest.

Exemplul 2. Deseurile de aluminiu utilizate sunt bucăți de tabla de aluminiu, cu conținut de 99,7 % Al rezultate in urma unor debitări mecanice. Deseurile au grosime de 1+2 mm si lățimi cuprinse intre 2+100 mm. Șarja experimentala este constituita din 1000 g deșeuri de aluminiu, in amestec cu flux in proporție de 10 % procente greutate din cantitatea de brichete. Fluxul este constituit dintr-un amestec

C\ 2 O 1 A 0 0 3 0 1 -¹ 5 -04- 2014

NaCI+KCI in raport 1:1. Șarja se introduce in creuzetul de SiC si se încălzește in cuptorul cu microunde. încălzirea se face direct pana la temperatura de lucru.

Parametrii de lucru sunt: temperatura 750 + 800 °C, timp cca.10 min, atmosfera inerta: azot, presiune cca 0,5 barri. După topire, aluminiul se toarna in nacela încălzită obtinandu-se un lingou de Al cu masa de 950 g.

Claims (2)

1. Revendicări

   1. Procedeu pentru obținerea aluminiului secundar din deșeuri de cutii/doze de aluminiu prin topire, utilizând energia microundelor, caracterizat prin aceea ca deseurile de cutii/doze de aluminiu compactate sub forma de brichete, in amestec cu flux in proporție de 10 % procente greutate din cantitatea de deșeuri Al, constituit din (NaCI+KCI) in raport 1:1, se introduc intr-un creuzet de SiC, amplasat intr-un cuptor cu microunde unde are loc îndepărtarea materialelor organice si a umidității la temperatura de cca. 500 °C când are loc piroliză materiilor organice din lacurile si vopselele cu care sunt inscripționate cutiile de aluminiu si apoi topirea aluminiului la cca.750 + 800 °C, in atmosfera inerta de azot la cca 0,5 barr, timp de cca.20 min.
2. 2. Procedeu, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea ca, pentru imbunatatirea absorbției microundelor si eficientizarea procesului de topire, pe suprafața exterioara a crezetului s-a aplicat un strat de cca.2 cm grosime dintrun material susceptor de microunde alcătuit din SiC si silicat de sodiu.