Авторефераты диссертаций >> Использование твердых углеродсодержащих отходов в пирометаллургических процессах
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:
- 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;
- 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.
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 |
