Технология переработки пылевидного металлургического сырья и отходов
Горда В.И., Ростовский В.И., Ростовский А.В., Ушакова М.В.
Донецкий национальный технический университет
Источник: http://www.zdc.ru/zdc/articles/articles_8.html
Инвестиционной группы «Русские Фонды» разработана и опробована установка по утилизации различных видов отходов и материалов. На базе этого агрегата созданы процесс непрерывной переработки пылевидных шихтовых материалов (пылеватая руда, пыль от производственных процессов, шламы), содержащих, кроме оксидов железа и пустой породы, цветные металлы (цинк, свинец, кадмий) и щелочи, — DECM-процесс (Dust Electric Coke Melting — электрококсовая плавка пыли) — и процесс обезвреживания токсичных отходов с попутным извлечением ценных компонентов — ESU-процесс (Ecologically Safe Utilization — экологически безопасная утилизация).
Проблема утилизации железосодержащих сталеплавильных пылей и шламов черной металлургии связана с повышением в них содержания цветных металлов, в частности цинка, вследствие снижения доли чугуна в производстве стали и увеличения доли оцинкованного лома. При полном освоении мощностей сталеплавильных агрегатов ежегодно в пыли и шламы переходит до 7 тыс. т цинка. Только на Мариупольском металлургическом комбинате им. Ильича со сталеплавильными шламами, содержащими 1,5 – 2% цинка, заскладировано более 50 тыс. т цинка. На Енакиевском металлургическом заводе конвертерные шламы, содержащие 0,68 % Zn, складируют с доменными и частично после соответствующей подготовки утилизируют в аглопроизводстве. На Макеевском и Алчевском комбинатах мартеновские шламы с 3,5 и 1,1 % Zn соответственно складируют с доменными и не утилизируют.
Таким образом, на металлургических предприятиях Украины цинксодержащие сталеплавильные шламы либо сбрасываются в шламонакопители, либо, при наличии агломерационной фабрики, частично утилизируются после соответствующей подготовки в агломерационной шихте.
УТИЛИЗАЦИЯ + ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ
Проведенная работа была вызвана необходимостью создания агрегата по утилизации таких видов отходов, которые в настоящий момент используются неэффективно или вообще идут в отвалы, после чего их использование становится чрезвычайно проблематичным. В ходе длительных исследований была создана установка, которая показала обнадеживающие результаты при переработке не только металлургических отходов (DECM-процесс), но и различных органических материалов, таких как смолки, конденсат, нефтешламы, отработанные эмульсии, пыль электрофильтров, шламы газоочистки (ESU-процесс). Предлагаемые технологии позволяют разложить на нетоксичные элементарные составляющие опасные вещества, в том числе хлорорганические, отделить цветные примеси путем их возгонки, получить железосодержащий полупродукт (железофлюс, агломерат) или чугун, а также переработать без предварительной подготовки такие виды сложно утилизируемых отходов, как, например, доменные шламы. По своей сути технологии безотходные — каждый вид продукции является конечным продуктом (например, шлак — строительный материал, газ — теплоноситель и топливо) или полуфабрикатом (цветные металлы, чугун, железофлюс). Но необходимо учесть, что данные технологии используют высокотемпературное разложение материалов (-1500 °С), например деструкцию полимеров, поэтому их нецелесообразно использовать для переработки органических материалов, например замасленной окалины с высоким, 20-25%-ным содержанием масел, которые лучше утилизировать с сохранением их структуры. Однако в случае отсутствия подобной технологии переработки DECM- и ESU-процессы являются достаточно перспективными. При их использовании углеродистый материал будет играть роль восстановителя.
Вопрос эффективной переработки токсичных отходов различного происхождения, например гальваношламов, требует детального и более глубокого изучения в промышленном масштабе, так как необходимо не просто перевести эти виды отходов в безопасное состояние, но и получить кондиционный полупродукт для дальнейшей, экономически рентабельной переработки. В основе DECM-процесса лежит жидкофазное восстановление оксидов металла в коксовой насадке. Нагрев, разложение, восстановление и плавление материалов, формирование чугуна и возгонка обеспечиваются теплом с помощью электроэнергии. Процесс ведется непрерывно с периодической загрузкой шихты и выпуском продуктов плавки (чугун, шлак или — при предотвращении восстановления железа — железофлюс). Образующиеся газы и летучие цветные металлы удаляются через систему газоотводов, затем металлы конденсируются.
ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ
При создании технологии использовались технологические особенности современных агломерационного, доменного, ферросплавного производств, процессов жидкофазного восстановления металлов (ПЖВ). Наиболее близкие по принципам работы аналоги предлагаемой установки — низкошахтная доменная печь и агрегат ПЖВ для получения чугуна. Технология и агрегат для ее осуществления, предложенные УкрНТЭК, ДонГТУ и ИГ «РФ», позволяют, в отличие от других технологий и установок, подавить значительный пылевынос и получить чистый по примесям полупродукт — концентрат с содержанием металлического цинка не менее 90%. В зависимости от режима работы можно получать оксид цинка (чистота не менее 93-95%) или металлический цинк (чистота 98-99%).
В состав производственного комплекса входит следующее основное оборудование: система подачи шихты (транспортеры, бункера, дозаторы), по возможности — печь для предварительной подготовки шихты (сушильный барабан или вращающаяся трубчатая печь для снижения расхода электроэнергии в основном реакторе), основной реактор — дуговая электроплавильная печь, система газоотводов, пылеуловители (см. рисунок). Образующиеся жидкие продукты плавки в зависимости от их количества и местонахождения установки можно в жидком виде отправлять на дальнейшую переработку или гранулировать в установке припечной грануляции. Цинковый полупродукт в твердом или жидком виде периодически выпускается из конденсатора. Извлечение цинка из шламов составляет не менее 96-98%, железа — неменее 99%, что превосходит соответствующие показатели технологий, решающих схожие задачи другими способами (например, использование для извлечения цинка вельц-печей.
1 – трансформатор 2 – приемный бункер 3 – питатель-дозатор 4 - термическая печь 5 - термический реактор 6 – дистиллятор цветных металлов 7 – скруббер 8 – рукавный фильтр 9 – вакуумнасос 10 – дозатор 11 – электрофильтр 12 – дымовая труба
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ
В ходе исследований были проведены многочисленные испытания сначала на лабораторной, затем на опытной установке. Основным фактором, ограничивающим производительность агрегата, была мощность трансформатора (<300 кВА). Расход электроэнергии на 1 тонну шламов составлял от 300 до 3000 кВт•час. Расход электроэнергии определяли следующие факторы: химический состав шихтовых материалов (содержание оксидов металлов), влажность (зависит от степени термической подготовки к плавке), вид конечного железосодержащего продукта (чугун или железофлюс), то есть степень восстановления железа. В качестве металлсодержащего сырья использовались сталеплавильные шламы металлургических комбинатов: Макеевского, им. Ильича, Азовстали.
Ниже приведены результаты одного из промышленных экспериментов. Конвертерный шлам, содержавший Feобщ 41,15 (90% железа находилось в виде Fe3O4, 10% — в виде FeO), Si02 2,83, СаО 14,75, MgO 8,77, ZnO 2,5, С 0,45 и S 0,25% масс, смешивали с измельченным антрацитом, окомковывали, высушивали и загружали в восстановительный реактор. Показатели, характеризующие предложенную технологию, приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Показатели работы установки при удельном расходе восстановителя 0,07 кг/ кг Fe
| Температура, С | Содержание реагирующих веществ в железофлюсе, % | Содержание цинка в уловленном продукте | Удельные затраты элетроэнергии, кг. у.т./кг. Fe | ||
| Zn(+2) | Fe(+2) | Fe(+3) | |||
| 1302 | 1.80 | 100 | 0 | 0 | 0.190 |
| 1377 | 0.90 | 93.88 | 6.12 | 97.12 | 0.192 |
| 1452 | 0.10 | 88.75 | 11.25 | 97.88 | 0.194 |
| 1527 | 0.05 | 87.99 | 12.01 | 97.92 | 0.196 |
| 1602 | 0.61 | 96.50 | 3.50 | 36.45 | 0.198 |
НОВЫЙ ПРОЕКТ
На основе результатов работы опытной установки готовится к реализации проект строительства установки с трансформатором мощностью 10МВА и производительностью по сухим шламам не менее 50000 т/год. Для DECM-процесса на базе метода тепловых эквивалентов была разработана методика расчета материального и теплового баланса установки, учитывающая геометрические особенности термического модуля, способ и форму подведения тепла для процесса и виды продуктов плавки. Во внимание принимались также процессы восстановления с учетом химического состава материалов, состава и температуры отходящих газов, особенностей используемого сырья и т.д. Поскольку результаты расчета предназначены для использования в действующем производстве, за его основу были взяты временные характеристики, в частности производительность установки. Кроме того, важной частью расчета является экономический раздел, который не только характеризует эффективность работы, но и показывает целесообразность выбора различных режимов работы, определяет, какой режим является оптимальным в данный момент.
На входе задаются химический состав шихтовых материалов, расход основного компонента (шлам или другое сырье), режим плавки (основность шлака, степень восстановления металлов). Также задаются температуры продуктов плавки (на основе предварительных исследований) и другие вспомогательные параметры. В результате расчета определяются расход шихтовых материалов (кроме основного компонента) — кокса, угля, известковых отходов и пр., расход электроэнергии, выход продуктов плавки (чугун, шлак, цветные металлы, газы), экономические показатели (эксплуатационные затраты, стоимость полученной продукции и пр.).
Необходимо отметить, что те величины, которые задаются теоретически, например температура, на точность расчетов влияют незначительно. В большой степени точность определяется химическим и фазовым составом сырья, который сильно влияет на тепловой баланс и экономические показатели. Были рассчитаны различные варианты работы установки. В таблице 2 приведены результаты расчета для разных режимов при использовании в качестве шихты шламов доменной газоочистки КМК.
Для дальнейшего использования в доменном или сталеплавильном производстве полученного в качестве конечного продукта железофлюса необходимо учитывать, что в доменных шламах содержится избыточное для восстановительных процессов количество углерода. Поэтому углерод, оставшийся после полного или частичного восстановления металлов и восстановления водорода из паров воды, необходимо окислять добавками либо влаги шихты, уменьшая до необходимых пределов ее влажность, либо железосодержащих материалов (окалина и пр.). В противном случае в печи может накапливаться пылевидный углерод (графит), что ухудшает фильтрующую способность коксовой насадки.
Но главное — режим работы установки (в первую очередь сырье и продукты плавки, расход электроэнергии и/или других источников энергии как основная статья затрат) выбирается в каждом конкретном случае на основе экономических показателей. Оптимальные условия реализации DECM-процесса различаются для разных видов сырья. Основные критерии выбора условий:
1) целесообразность электротермического восстановления железа в конкретных условиях (получение чугуна или железофлюса);
2) требуемая степень чистоты цветных металлов (определение газодинамического режима для заданной производительности);
3) степень предварительной подготовки материала.
В настоящее время методика расчета совершенствуется и расширяется. Основные направления исследований при этом следующие: кинетика восстановления материалов разных фракций и влияние фракционного состава на производительность; особенности газодинамики и гидродинамики термического модуля, влияние их на другие факторы; влияние фазового состава шихтовых материалов на показатели работы комплекса; взаимное влияние различных факторов и выбор оптимальных режимов.
Также подбираются потенциальные виды сырья для использования в DECM- и ESU-процессах, определяются требованиями к геометрическим характеристикам установки и в зависимости от вида сырья. Основной задачей при этом является не просто утилизация, но экономически эффективная бездотационная переработка отходов.
Дальнейшие исследования в опытном и промышленном масштабах должны определить возможность применения DECM-процесса для крупномасштабной утилизации многомиллионного количества различных отходов, в том числе I-III класса токсичности, накопленных в России и в мире, а также возможность использования агрегата для промышленно значимого производства чугуна и цветных металлов и использования печи как газификатора с получением высокотемпературных газов с высокой теплотворной способностью.
Таблица 2 – Показатели работы установки (проектные)
* - Расход известковых отходов и извести зависит от прихода серы с шихтовыми материалами и от требований к продуктам плавки * * - Без учета летучих кокса и угля