Использование твердых углеродсодержащих отходов в пирометаллургических процессах

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

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.

- 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;

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.

- 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.
   

- 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.

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.

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).

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

Характеристика полученных продуктов

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

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

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.

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.