Использование твердых углеродсодержащих отходов в пирометаллургических процессах



жүктеу 201.8 Kb.
Дата13.06.2016
өлшемі201.8 Kb.

На правах рукописи


ФЕОКТИСТОВ Андрей Юрьевич


Использование

твердых углеродсодержащих отходов

в пирометаллургических процессах

Специальность 05.16.02 – Металлургия черных,

цветных и редких

металлов


Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ


2009

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете)
Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Белоглазов Илья Никитич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Ткаченко Станислав Степанович

кандидат технических наук, доцент

Баркан Михаил Шмерович
Ведущее предприятие: ЗАО "Метахим".


Защита состоится « 29 » декабря 2009 г. в 14 ч 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.224.03 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. 1303.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.
Автореферат разослан «27» ноября 2009 года

УЧЁНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

д.т.н. В.Н.БРИЧКИН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. На производство черных и цветных металлов расходуется около 14 % топлива, 16 % электроэнергии, 40 % сырья и минеральных ресурсов от общего потребления в стране. В настоящее время в качестве основных видов топлива в металлургии используются ископаемые угли, природный газ и продукты нефтепереработки, стоимость которых на международном и российском рынках имеет тенденцию неуклонного роста. В связи с увеличением стоимости их добычи, переработки и транспортировки перед отечественной промышленность со всей очевидностью встает проблема поиска новых нетрадиционных источников более дешевых видов топлива. К такого рода топливу можно отнести нерудное энергетическое сырье, представленное твердыми углеродсодержащими отходами техногенного происхождения, в т.ч. наиболее доступные и требующие утилизации твердые пластиковые, резиновые и твердые коммунальные отходы (ТКО). Более 90% названных материалов практически не используются, а захораниваются на полигонах вызывая загрязнение окружающей среды.

В настоящее время наиболее перспективной с традиционной позиции технологией энергетического использования твердого углеродсодержащего сырья, представляется технология слоевого сжигания на подвижных колосниковых решетках в специализированных котлах с получением пара. Недостатками технологии являются невысокий КПД (порядка 25-30%), обусловленный низкими параметрами получаемого пара, высокая стоимость оборудования для газоочистки и сложность кинематической схемы подвижных решеток. Одновременно данная технология не позволяет использовать техногенное углеродсодержащее сырье для замены твердого топлива в металлургических процессах, что обуславливает необходимость проведения соответствующих исследований.



Цель работы. Разработка эффективных теплотехнических и аппаратурных решений по использованию твердых углеродсодержащих отходов техногенного происхождения в металлургических процессах.

Идея работы. Для производства извести, аглопорита, портландцементного клинкера и другой продукции металлургического и попутного назначения на обжиговом агрегате конвейерного типа следует использовать тепловой потенциал твердых углеродсодержащих отходов.

Задачи работы:

- определение термохимических и физических свойств углеродсодержащего энергетического сырья, содержащего резиновые, пластиковые и др. высококалорийные компоненты;

- разработка технологии и агрегата для использования теплового потенциала углеродсодержащих отходов в металлургических процессах;

- определение рациональных параметров топлива, полученного на основе твердых углеродсодержащих отходов и условий его применения;



Методы исследований. Работа выполнена с использованием комплекса теоретических и экспериментальных методов исследований, включающего анализ существующих технологий энергетического использования твердых углеродсодержащих отходов; опытно-промышленные испытания и лабораторные эксперименты по изучению их свойств; физическое моделирование и математическую обработку результатов современными компьютерными методами.

При постановке и проведении лабораторных и опытно-промышленных испытаний реализованы методы планирования эксперимента и статистического анализа, а также принятые в металлургической отрасли методы технологического контроля.



Научная новизна:

- установлено, что тепловой потенциал при горении твердых углеродсодержащих отходов в слое шихты в пирометаллургическом агрегате конвейерного типа используется в 2 раза эффективнее, чем при традиционных способах энергетической утилизации;

-- получены зависимости продолжительности процесса диссоциации известняка от высоты слоя шихтовых компонентов и величины разряжения при просасывании горячих отходящих газов через слой известняка заданного гранулометрического состава.

Основные защищаемые положения:


  1. Для получения продукции металлургического и попутного назначения следует использовать твердые углеродсодержащие отходы в качестве топлива в процессах обжига, что позволяет существенно снизить расход традиционного энергетического сырья;

  2. С целью увеличения теплового КПД агрегата и снижения выбросов кислот и диоксида серы в окружающую среду следует использовать технологию слоевого обжига твердых шихт металлургического назначения в агрегате конвейерного типа.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

- установлена технологическая возможность замены традиционных видов топлива твердыми углеродсодержащими материалами в процессах обжига при получении кондиционной продукции металлургического и попутного назначения, что позволяет снизить расход материальных и энергетических ресурсов и обеспечить экономический эффект;

- экспериментально установлено, что слоевой процесс обжига с использованием в качестве топлива твердых углеродсодержащих отходов, обеспечивает связывание выделяющихся при их горении кислот и диоксида серы твердыми продуктами обжига, содержащими оксиды и карбонаты кальция;

- разработана конструкция термического агрегата на основе конвейерной обжиговой машины, которая при использовании в пирометаллургическом процессе позволяет осуществить наиболее полный прогрев слоя при просасывании горячих отходящих газов через слой обжигаемых углеродсодержащих твердых материалов и добиться повышения КПД процесса до 55 % в соответствие с обоснованной схемой газопотоков;

- получены исходные данные для разработки технического проекта отечественной конвейерной обжиговой машины для переработки твердых углеродсодержащих отходов с получением извести ООО "Уралмаш-Инжиниринг".

Достоверность результатов работы.

Приводимые выводы и рекомендации обоснованы путем сопоставления результатов численных расчетов, лабораторных исследований и опытно-промышленных испытаний.



Апробация работы. Результаты работы докладывались на семинаре “Промышленные печи и высокотемпературные реакторы” (ВО “РЕСТЭК”, Санкт-Петербург, 2006); на международных ежегодных специализированных конференциях в Краковской горной академии (Польша, Краков, 2006 и 2007 г.г. ) и Фрайбергской горной академии (Германия, Фрайберг, 2008); на четвертых научных чтениях по цементу “Современный цементный завод. Экология” (АНТЦ «Алит», Москва, 2007); на всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов (Политехнический университет, Санкт-Петербург, 2007) научно-технических конференциях молодых ученых Санкт-Петербургского государственного горного института (Санкт-Петербург, 2006, 2007); на Петербургской технической ярмарке (ПТЯ, ВО “РЕСТЭК”, Санкт-Петербург, 2008 и 2009 г.г.); семинарах кафедры автоматизации технологических процессов и производств СПГГИ (ТУ).

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 174 страницах машинописного текста и включает введение, четыре главы и заключение. Содержит 32 рисунка, 55 таблиц, библиографический список из 153 литературных источников.

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель, идея и решаемые задачи, приведены основные защищаемые положения, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе выполнен научно-технический анализ современного состояния и перспектив развития теории и практики энергетического использования углеродсодержащих твердых отходов. Приведены результаты анализа состава и свойств углеродсодержащих твердых отходов, применяемых методов и аппаратов их энергетического использования. Рассмотрены вопросы экологии, классификации обогащенного топлива из отходов и аппаратурные схемы его получения. Определены требования, предъявляемые к термическому агрегату для энергетического использования твердых углеродсодержащих отходов.

Во второй главе приведены результаты опытно-промышленных испытаний по использованию теплового потенциала углеродсодержащих отходов на обжиговой машине конвейерного типа с получением полезных продуктов (извести, аглопорита и цементного клинкера) и выполнен анализ.

В третьей главе выполнен теплотехнический расчет процесса использования энергетического потенциала твердых углеродсодержащих отходов с получением извести. Рассмотрены вопросы обжига известняков в слое, приведены физико-математические описания диссоциации карбоната кальция и горения твердого топлива, представленного твердыми углеродсодержащими материалами. Рассчитано время необходимое для обжига известняка на конвейерной машине до необходимой степени диссоциации и время полного выгорания кокса отходов.

В четвертой главе даны рекомендации по использованию разработанных технологических решений. Сформулированы оптимальные технологические и конструктивные характеристики конвейерной машины для утилизации теплового потенциала твердых углеродсодержащих отходов.

Заключение содержит обобщенные выводы по результатам исследований.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 статей, в том числе 2 публикации в изданиях, входящих в Перечень ВАК Минобрнауки России, получен 1 патент России.

Автор диссертационной работы выражает благодарность директору по исследованиям и развитию ОАО “НПК “Механобр-техника” Арсентьеву В.А., главному специалисту Петрову А.В. и главному технологу Михайловой Н.В. за помощь в организации и проведении исследований; благодарность и признательность научному руководителю работы профессору Белоглазову И.Н.



Основные защищаемые положения

1. Для получения продукции металлургического и попутного назначения следует использовать твердые углеродсодержащие отходы в качестве топлива в процессах обжига, что позволяет существенно снизить расход традиционного энергетического сырья.

В соответствии с разработанной методикой были проведены комплексные экспериментальные исследования процесса сжигания углеродсодержащих отходов в агломерационных чашах (аглочашах), позволяющих моделировать процессы, протекающие в слое материала при различных условиях (рис. 1). В качестве углеродсодержащих материалов использовались смешанные пластиковые и резиновые отходы, коксовая мелочь, древесные отходы и торф. Исходным сырьем служил известняк, а также шихта для получения аглопорита и цементного клинкера. В качестве шихты при получении цементного клинкера использовался обезвоженный белитовый шлам глиноземного производства.




Рис 1. Схема укрупнено-лабораторной установки физического моделирования слоевого сжигания. 1 – агломерационные чаши; 2 - эксгаустер; 3 – газоход; 4 – измерительная шайба; 5 – заслонка; 6 – задвижка; 7 – потенциометр; 8 – термопара; 9 – тягонапоромер; 10 – слой шихты; 11 - слой углеродсодержащего сырья (топливо).


Результаты, полученные в экспериментальных исследованиях с использованием указанной методики, приведены в табл. 1. и 2. и на рис. 2.

Установлено, что оптимальные условия сжигания углеродсодержащих материалов достигаются при их укладке на слой обжигаемого материала. Послойная укладка компонентов шихты обеспечивает наиболее равномерный нагрев известняка (рис. 2). Некоторые показатели процесса обжига известняка с использованием в качестве углеродсодержащих материалов твердых коммунальных отходов, коксовой мелочи, резиновых отходов и торфа приведены в таблице 1. Характеристика полученных в ходе экспериментальных исследований продуктов при сжигании твердых углеродсодержащих отходов приведена в таблице 2.

Таблица 1

Показатели обжига известняка в агломерационных чашах



п/п


Условия опыта

Степень обжига известняка, %

Продолжительность процесса, мин

Скорость протекания процесса мм/мин

Температура газов под решеткой (max), 0С

Скорость фильтрации воздуха, м/с

соотношение отходы/ известняк

Дополнительное твердое топливо, %

1.

4,0

-

72,0

8,0

37,5

600-750

1,4

2.

1,0

-

39,0

10,0

30,0

600-700

1,6-2,8

3.

1,05

2,5 (коксовая мелочь)

57,0

10.0

30,0

650-780

0,95-1,7

4.

0,9

4,9(коксовая мелочь)

88,0

13,0

23,0

680-800

1,4-1,85

5.

2,16

5,0 (торф)

68,0

7,0

42,8

750-800

1,7-2,5

6.

1,6-2,1 (резиновые отходы)

-

77-81

33-38

13-15

900-1050

0,95-1,9

Таблица 2

Характеристика полученных продуктов



№ п.п

Наименование основных показателей

Величина

%


1

Известь

1.1

степень обжига, %

62-82

1.2

гранулометрический состав, %







- фракция 12-18мм

59,8




- фракция 5-12мм

29,4




- фракция 3-5мм

10,8

1.3

массовая доля компонентов, %







- СаО

62-64




- SiO2

1,3-4,2




- ППП

16,5-10,2




- S

0,62




- Cl

0,3 – 0,5




- прочее

19,28-20,28

2

Аглопорит

2.1

массовая доля компонентов, %







- SiO2

64,6




- Al2O3

15,1




- Fe2O3

7,5




- CaO+MgO

8,12




- S

0,28




- Na2O+K2O

2,1




- ППП

1,15

2.2

Насыпная плотность фракции +3 мм, кг/м3

316-468

3.

Цементный клинкер на основе белитового шлама глиноземного производства

3.1

Фазовый состав, %







- алит

43,03-44,47




- белит

20,43-20,92




- алюминат

1,7-1,77




- алюмоферрит

3,64-3,69

3.2

Коэффициент насыщения

0,87

3.2

Удельная поверхность, м2/кг

370-383

Рис. 2. Изменение температуры отходящих газов во времени для различных шихт при проведении экспериментальных исследований в агломерационных чашах.

По данным теплотехнического расчета подтвержденного экспериментальными исследованиями, на нагрев и диссоциацию известняка полезно расходуется около 30 % тепла. Потери тепла на недожог, с золой, с известью, с воздухом охлаждения и в окружающую среду от элементов конструкции не превышают 25 %.

Данные приведенные в таблице 1 свидетельствуют о возможности повышения качества получаемых продуктов в т.ч., за счет применения более калорийного и менее зольного углеродсодержащего сырья (например, резиновых отходов).

КПД процесса в соответствие с экспериментальными исследованиями составляет 42% - выше, чем при использовании теплового потенциала углеродсодержащих отходов для получения пара и электроэнергии на его основе.

Непрерывный обжиг в слое с использованием в качестве нового вида топлива твердых углеродсодержащих материалов может быть реализовано в обжиговых металлургических агрегатах: в трубчатых вращающихся печах и агрегатах конвейерного типа для обжига шламов глиноземного производства, получения металлургической и строительной извести.
2. С целью увеличения теплового КПД агрегата и обеспечения снижения выбросов кислот и диоксида серы в окружающую среду следует использовать технологию слоевого обжига твердых шихт металлургического назначения в агрегате конвейерного типа.

Обжиговые трубчатые вращающиеся печи, являясь агрегатами непрерывного типа, имеют ряд существенных недостатков, связанных с большим пылеуносом, значительной капиталоемкостью при невысокой удельной производительности и низком тепловым КПД. Теплоноситель (отходящие газы) взаимодействуя исключительно с верхним слоем шихты не обеспечивает равномерный прогрев всего слоя. Обжиговые агрегаты конвейерного типа позволяют осуществить наиболее полный прогрев слоя при просасывании горячих отходящих газов через слой обжигаемого материала.

На основании результатов проведенных экспериментальных исследований и выполненного теплотехнического расчета предложены технология переработки углеродсодержащих твердых отходов в пирометаллургическом процессе и конструкция термического агрегата на основе конвейерной обжиговой машины. Разработан метод подготовки шихтовых компонентов и схема газопотоков (рис. 3). Предложено использование дополнительных рыхлящих устройства, устройств вторичного зажигания потухших участков слоя и грохота для отсева золы. Машина оснащается тягодутьевыми установками и многоступенчатой системой газоочистки.


Получаемая известь может быть использована для формирования шлакообразующих смесей в печах черной металлургии; в качестве связки при изготовлении металлургических брикетов; приготовления растворов на основе известкового молока для систем мокрой газоочистки в металлургических печах; для приготовления строительных растворов и изготовления бетонных изделий; в качестве компонента вяжущих в основании дорожных одежд. Аглопорит и цементный клинкер используется в строительной и металлургической промышленности в качестве универсального наполнителя и вяжущего.

КПД процесса в соответствие с экспериментальными и теоретическими исследованиями с учетом полезного использования тепла отходящих газов в соответствии с разработанной схемой газопотоков составляет 55%.

Экспериментально было установлено, что высота слоя твердых углеродсодержащих отходов отходов должна превосходить высоту слоя обжигаемого материала в 5-6 раз и находиться в диапазоне 400-600 мм. Оптимальный гранулометрический состав обжигаемого материала находится в пределах 5-20 мм, а отходов - 50-100 мм.

Показатели технологического процесса энергетического использования смешанных твердых углеродсодержащих отходов с калорийностью порядка 10 МДж/кг в слое с известняком приведены в таблице 3.

В результате проведения теоретических и экспериментальных исследований было установлено, что предлагаемая технология энергетического использования твердых углеродсодержащих отходов на обжиговой машине конвейерного типа, позволяет снизить объем вредных выбросов в атмосферу в виде кислот (HCl, HF) и диоксида серы, за счет поглощения твердыми продуктами обжига содержащими известь и известняк, рис. 4.

Таблица 3.

Предварительные параметры процесса использования теплового потенциала твердых углеродсодержащих отходов для получения извести






Наименование параметров

Показатели

1

Крупность известняка перед укладкой на колосниковую решетку

520 мм

2

Весовое отношение отходы/известняк, загруженных на колосниковую решетку

2,58,0

3

Общая высота слоя на колосниковой решетке

400700 мм

4

Послойная укладка: низ слоя – известняк, верх – отходы




5

Температура в камере зажигания

10001200С

6

Время пребывания в зоне зажигания

2,0-2,5 мин.

7

Скорость сжигания отходов

20-30 мм/мин.

8

Максимальная температура:







  • на границе известняк-отходы

800-1100С




  • отходящий газ в вакуум-камере

600-900С

9

Удельная производительность по сжиганию отходов

0,3-0,36т/м2ч

10

Степень обжига известняка

60-70%



Рис. 4. Массовая доля хлора и серы в различных продуктах обжига при проведении экспериментальных исследований в аглочашах


Снижение содержания в дымовых газах HCl/HF значительно уменьшает вторичное образование полихлорированных дибензодиоксинов и дибензофуранов на стадии охлаждения дымовых газов.

ЗАключение

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной задачи использования энергетического потенциала твердых углеродсодержащих отходов в пирометаллургических процессах.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований:
1. Использование твердых углеродсодержащих отходов в качестве нового вида топлива с получением продуктов металлургического и попутного назначения, обеспечивает эффективную утилизацию теплового потенциала отходов и поглощение кислот и диоксида серы.

2. Установлено, что для реализации задачи слоевого обжига наиболее целесообразно использовать усовершенствованную конвейерную обжиговую машину и соответствующую технологию, отличающуюся системой газопотоков, наличием дополнительных рыхлящих и зажигающих устройств, грохота для отсева золы и систем подготовки шихты.

3. Экспериментальными исследованиями показано, что тепловой КПД процесса слоевого сжигания отходов в слое на разработанной обжиговой машине конвейерного типа составляет 55%, что существенно выше, чем термический эффект от эксплуатации систем с теплоносителем в виде пара.

4. Установлено, что оптимальные условия сжигания отходов на обжиговой машине конвейерного типа достигаются при укладке слоя отходов на слой известняка (или другого обжигаемого сырья), при этом высота слоя отходов должна превосходить толщину слоя обжигаемого материала в 5-6 раз и находиться в диапазоне 400-600 мм. Оптимальный гранулометрический состав обжигаемого сырья находится в пределах 5-20 мм, а отходов - 50-100 мм.

5. Экспериментально установлена возможность использования в качестве обжигаемого материала известняка, аглопоритовой шихты и шихты для производства цементного клинкера на основе белитового шлама глиноземного производства.

6. Экспериментально установлена возможность использования теплового потенциала широкого спектра углеродсодержащих твердых отходов на конвейерной машине.



7. Ожидаемый экономический эффект от предложенных разработок составил порядка 50 рублей на 1 тонну извести.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

  1. Феоктистов А.Ю. Технологические преимущества использования твердых углеродсодержащих отходов в обжиговой машине конвейерного типа для получения продукции металлургического и попутного назначения / В.А. Арсентьев, И.Н. Белоглазов// Металлург, 2009. № 12. С. 42- 44.

  2. Арсентьев В.А. Новая технология термического уничтожения твердых бытовых отходов / А.В.Петров, И.Н. Белоглазов, А.Ю. Феоктистов //Черные металлы, 2006 г. №7-8. С. 37-41.

  3. Патент 22977871 Российская Федерация, МПК B01D46/26. Устройство для очистки газа / М. И. Ильин, Б. Н. Куценко, А.Ю. Феоктистов и др. СПГГИ (ТУ) им. Плеханова, 2007 г.

  4. Феоктистов А.Ю. Исследование термической переработки отходов на конвейерной обжиговой машине / А.Ю. Феоктистов // Записки Горного института, 2007 г. Т. 170. С. 176-179.

  5. Белоглазов И.Н. Обоснование актуальности применения металлургических агрегатов для утилизации отходов [Электронный ресурс] / И.Н. Белоглазов, А.Ю. Феоктистов // Инженерные и технологические исследования для устойчивого развития, 2006 г. http://www.msuie.ru/unesco.forum/.

  6. Feoktistov A. Application of conveyor kiln for the thermal treatment of carbonaceous household wastes/Materialy XLVII Sesji Pionu Gorniczego, Akademia Gorniczo-Hutnicza, Krakow, 2006. C. 48.

  7. Feoktistov A. Carbonaceous household wastes as fuel feedstock in thermometallurgical equipment and processes/Тезисы LVIII Международного форума горняков и металлургов «Freiberger Forschungshefte», Фрайберг, Германия, 2008.C. 199-203.




©dereksiz.org 2016
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет