Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние брикетирования торфяного и техногенного сырья 9
1.1. Методы окускования, применяемые в горной и металлургической промышленности 9
1.2. Целесообразность совместной переработки торфяного и техногенного сырья 18
1.3. Задачи исследований 24
2. Экспериментально-теоретические исследования свойств экструзионных брикетов 26
2.1. Свойства сырья для экструзионных брикетов 26
2.2 Теоретические основы процессов брикетирования влажных дисперсных материалов 47
2.3. Исследование изменения свойств композиционного сырья при шихтовании и экструзии 52
2.4. Исследование качественных показателей экструзионных брикетов 61
2.5. Выводы по разделу 2 78
3. Выбор и обоснования технологических параметров производства экструзионных брикетов 80
3.1. Выбор состава экструзионных брикетов 80
3.2. Исследование и обоснование режимов сушки экструзионных брикетов 84
3.3. Обоснование производственно-технических показатели технологии экструзионных брикетов 99
3.4. Выводы по разделу 3 118
4. Обоснование эффективности использования экструзионных брикетов в энергетике иметаллургии 120
4.1. Анализ эффективности использования экструзионных брикетов в энергетике и жилищно-коммунальном хозяйстве 120
4.2. Анализ эффективности использования торфяных экструзионных брикетов в металлургии 126
4.3. Выводы по разделу 4 152
5. Реализация результатов исследований и перспективы их дальнейшего развития 154
5.1. Внедрение результатов исследований в промышленность, проектирование и учебный процесс 154
5.2. Анализ перспективных направлений использования торфяных экструзионных брикетов 155
Заключение 160
Список литературы
- Целесообразность совместной переработки торфяного и техногенного сырья
- Теоретические основы процессов брикетирования влажных дисперсных материалов
- Исследование и обоснование режимов сушки экструзионных брикетов
- Анализ эффективности использования торфяных экструзионных брикетов в металлургии
Введение к работе
Актуальность темы. Согласно Энергетической стратегии России на период до 2030 года, важное значение имеет оптимальное использование местных видов топлива, к которым относится торф. Энергетические запасы торфа, составляющие 68,3 млрд. т.у.т., превосходят запасы нефти и газа. Использование торфа в энергетике приводит к сокращению потребления невозобновляемых топливно-энергетических ресурсов и к снижению экологической нагрузки от деятельности топливно-энергетического комплекса. На сегодняшний день российскими учеными разработаны эффективные схемы, позволяющие существенно расширить направления использования торфяного топлива.
В последнее время для окускования различных дисперсных материалов все более широкое применение в энергетике и металлургии находит технология жесткой экструзии. Создание новых технологических процессов производства экструзионных брикетов коренным образом изменит возможности переработки торфяного и техногенного сырья, позволит организовать производство эструзион-ных брикетов для использования в качестве топлива в энергетике и жилищно-коммунальном хозяйстве, а также в качестве топливно-плавильных материалов в металлургических процессах. Решению этого актуального вопроса и посвящена настоящая диссертация.
Объектом исследования является технология брикетирования торфяного и техногенного сырья.
Предметом исследования является экструзионное брикетирование наиболее распространенных на Урале видов торфа, отсевов каменноугольного и нефтяного кокса, древесного и каменного угля, отходов графитации угольных стержней, металлургических концентратов и отходов с содержанием меди, свинца, железа, марганца, кремния, цинка и других металлов.
Целью работы является обоснование технологических и технических разработок по экструзионному брикетированию дисперсных материалов на основе закономерностей изменения качественных характеристик брикетов в зависимости от свойств составляющих компонентов и применяемых энерготехнологических операций.
Идея работы. Использовать природные свойства торфяного и техногенного сырья для производства экструзионных брикетов путем сбалансированного подбора характеристик исходных компонентов, проведения необходимых энерготехнологических операций, обеспечивающих требуемое качество брикетов для их эффективного применения в качестве топлива в энергетике и жилищно-коммунальном хозяйстве и в качестве топливно-плавильных материалов в металлургических процессах.
Задачи исследования.
Исследование структурно-механических, водных и прочностных свойств экструзионных брикетов, их изменения в процессе шихтования, механического диспергирования, жесткой экструзии и сушки.
Исследование процессов конвективной сушки экструзионных брикетов и обоснование технологических режимов, обеспечивающих необходимые качественные показатели готовой продукции.
Выбор оптимального состава экструзионных торфяных брикетов.
Исследование эффективности применения экструзионных брикетов в производственных условиях для использования в качестве топлива в энергетике и жилищно-коммунальном хозяйстве и в качестве топливно-плавильных материалов в металлургических процессах.
Внедрение результатов научно-исследовательских разработок в учебный процесс подготовки специалистов, а также в практику проектирования и промышленного производства.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовался комплексный метод исследования, включающий анализ и обобщение результатов существующих методов окускования материалов, теоретический анализ процесса экструзионного брикетирования и экспериментальные исследования в лабораторных условиях. Для обработки экспериментальных данных использовались методы математической статистики и программное обеспечение.
Положения, выносимые на защиту:
-
Управление качественными показателями брикетов обеспечивается: выбором торфяного сырья в зависимости от его органического и минерального состава и структурных характеристик; введением в состав брикетируемой шихты дисперсных углеродсодержащих или металлсодержащих материалов; жесткой экструзией шихты в двухфазном пластическом состоянии.
-
Прочность экструзионных брикетов определяется параметрами процесса сушки, которые обеспечиваются осциллирующим режимом, подачей сушильного агента и конструктивными особенностями предлагаемого сушильного устройства.
-
Разработанная технология экструзионного брикетирования обеспечивает получение топливно-плавильных брикетов с необходимой механической прочностью и термоустойчивостью для применения их в шахтной плавке.
Научная новизна. Выполненные исследования позволили теоретически обобщить и экспериментально подтвердить закономерности изменения качественных характеристик экструзионных брикетов в зависимости от исходных свойств торфа, составляющих компонентов, режимов производства, обосновать
технологические и технические решения по экструзионному брикетированию торфяного и техногенного сырья и получить следующие новые результаты:
закономерности изменения структурно-механических, физико-технических, водно-физических, прочностных свойств экструзионных брикетов в зависимости от их состава;
закономерности и особенности тепловлагопереноса и структурообразова-ния экструзионных брикетов в процессе их сушки;
технологические регламенты процессов производства топливных экструзионных брикетов для использования в качестве топлива в энергетике и жилищно-коммунальном хозяйстве и топливно-плавильных материалов для металлургических процессов;
теоретически обоснованы требования к специализированному технологическому оборудованию для сушки экструзионных брикетов;
обоснованы перспективные направления производства и использования экструзионных брикетов.
Практическая ценность работы. Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований легли в основу создания технологии и оборудования для производства экструзионных брикетов и их использования в качестве топлива в энергетике и жилищно-коммунальном хозяйстве, а также топливно-плавильных материалов для металлургических процессов.
Внедрение результатов работы. Разработанные и научно обоснованные диссертантом технологические и технические решения по экструзионному брикетированию торфяного и техногенного сырья новые методы и методики внедрены в промышленность, в научно-исследовательскую, проектную практику и в учебный процесс.
Достоверность результатов и выводов в диссертации. Обеспечивается комплексностью, повторяемостью, воспроизводимостью и надежностью экспериментов, соответствием экспериментальных данных известным и выдвигаемым теоретическим положениям, прошедшим проверку практикой, а также проведением контрольных испытаний качественных показателей и использования в промышленных условиях новых экструзионных брикетов.
Личный вклад автора. Работа содержит результаты многолетних исследований, выполненных лично автором при непосредственном участии. Личное участие состоит в постановке и разработке основной идеи и темы диссертации, в разработке программы теоретических и экспериментальных исследований.
Автором выполнены систематизация, анализ и обобщение результатов проведения теоретических и экспериментальных исследований, осуществлена их практическая реализация в промышленности и в учебном процессе. В работе ис-
пользовались экспериментальные данные, полученные автором совместно с профессорами Б.М. Александровым, Н.В. Гревцевым, доцентами И.А. Тябото-вым, А.В. Колтуновым. Всем им автор выражает глубокую признательность за совместную плодотворную работу по проведению исследований.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Международных научно-практических конференциях «Уральская горная школа - регионам», проводимых в рамках Уральской горнопромышленной декады (Екатеринбург, 2005-2013 гг..); II и III специализированных выставках-конференциях «Экология. Управление отходами» (Екатеринбург, 2011, 2012 гг..); Международных промышленных выставках «ИННОПРОМ»-2011-2013 (Екатеринбург, 2011, 2012, 2013 гг..).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 16 печатных работах, в том числе в 4 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах, определяемых ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и библиографического списка, содержащего 170 источников. Объем работы - 132 страницы машинописного текста, в том числе 33 рисунка и 49 таблиц.
Целесообразность совместной переработки торфяного и техногенного сырья
Структура брикетов со связующими можно рассматривать как дисперсную систему, где дисперсионная среда - связующее, а дисперсная фаза -композиционная смесь.
Для такой системы характерны специфические процессы взаимного расположения и взаимосвязи ее отдельных элементов, обусловленных адгезией, аутогезией и когезией.
С физико-химической точки зрения механизм структурообразования сводится к следующему. Процессы адгезионного взаимодействия твердых частиц со связующим приводят к интенсивному применению, в результате чего связующее претерпевает структурные изменения. В клеевой пленке появляются два слоя: первый - адсорбционный, вязкость, плотность и прочность которого убывает по мере удаления от твердой поверхности, второй - объемный, который по своим свойствам близок к исходному связующему. В дальнейшем в процессе структурообразования доминирует аутогезия, для которой характерно прилипание контактирующих пленок связующего. В зависимости от того, по какому из полуслоев идет контактирование, достигается та или иная плотность склейки. В случае преобладания объемного слоя повышается пластичность структурного каркаса, но при этом снижается прочность брикетов. Высокая вязкость адсорбционного слоя обуславливает высокую механическую прочность бритья, что наблюдается при равномерном покрытии клеевой пленкой каждой частицы брикетируемого материала.
На практике перемешивание композиционной смеси со связующим не обеспечивает необходимой равномерности и происходит коалесценция твердых частиц вокруг тонкодисперсных частиц связующего и образуются малопрочные субстрактсвязующие комплексы - ССК.
ССК - это первичные структурные образования, в которых твердые частицы композиционной смеси выполняют роль активного наполнителя, а связующее - роль дисперсионной прослойки. Чем интенсивнее происходит процесс перемешивания, выше температура, тоньше распылено связующее и мельче гранулометрический состав смеси, тем устойчивее ССК.
По мере повышения вязкости всей брикетируемой смеси субстрат -связующие комплексы и отдельные частицы, покрытые связующим, контактируют между собой и образуют более крупные объединения - вторичные ассоциаты. Взаимодействие внутри ассоциатов происходит за счет аутогезионных связей. Для образования прочных брикетов необходимо приложить усилия, которые создают плотную упаковку отдельных частиц, субстрат-связующих комплексов и вторичных ассоциатов. Давление прессования вызывает аутогезионное упрочнение брикетируемой смеси, при этом связующее течет и самодиффузия приобретает направленный характер. Усилия прессования обеспечивает сближение твердых зерен и ССК до соприкосновения адсорбционных слоев связующего. Объемный слой связующего под действием деформационных напряжений переходит в места пустот структурного каркаса, что способствует дополнительному упрочнению брикетов. Дальнейшее нарастание приводит к сближению твердых частиц и ССК на расстояние меньше, чем сумма толщин адсорбционных слоев. В результате аутогезия образовавшейся структуры брикета приближается к когезии адсорбционных структурированных оболочек. Равенство аутогезии и когезии происходит, когда клеевые прослойки близки к толщине одного граничного слоя.
Основными факторами, влияющими на процесс брикетирования со связующими, являются гранулометрический состав композиционной смеси, температура и влажность, свойства связующего, а также давление и время прессования. Эффективным способом окускования торфяных композиционных смесей является термобрикетирование, суть которого заключается в прессовании материалов, предварительно нагретых до определенных температур.
Термобрикетированиго подвергаются некоторые виды топлива, в том числе и торф. Впервые процесс термобрикетирования торфа был осуществлен в Германии еще в 1903 году. Позднее этот способ брикетирования получил свое развитие в работах отечественных и зарубежных ученых [5, 6]. Разработке теории пластического состояния топлив посвящены работы Л.М. Сапожникова, Ы.С. Грязного, А.А. Агроскина, СИ. Смольянинова и других исследователей [7-9]. Изучением термического разложения торфа занимались В.Е. Раковский, Б.К. Климов, С.Г. Маслов, B.C. Корчунов и другие ученые [7, 11, 12].
На основе теоретических и экспериментальных разработок, механизм термобрикетирования композиционных материалов на основе торфа можно представить следующим образом.
Процесс термобрикетирования включает стадии нагрева и брикетирования. При нагреве торфа до температуры термобрикетирования в нем происходят существенные изменения: содержание свободных радикалов достигает максимума, увеличивается выход спирто-бензонного экстракта и гуминовых кислот, резко увеличивается удельная поверхность (в 2 раза), пластические свойства становятся предельными.
Перед прессованием система состоит из твердого активированного остатка, обладающего определенной пластичностью, жидкой фазы, которая представляет собой продукты термического разложения торфа и плавления битумов, и газообразной фазы, представленной паро-газообразными продуктами пиролиза составных частей торфа.
При наложении давления на эту систему происходит компактная укладка частиц и резкое уменьшение количества газовой фазы, более равномерное распределение жидкой фазы между частицами и адсорбация ее последними, деформирование частиц твердого остатка. Деформация частиц твердого остатка сначала обусловлена хрупкими и пластическими деформациями, а впоследствии упругими. Все эти процессы способствуют увеличению межфазных и внутрифазных контактов. Образование прочной структуры термобрикета происходит как в результате прямых химических контактов, так и вследствие протекания реакций конденсации и полимеризации, в которые вовлекаются как жидкая, так и твердая фазы. Это подтверждается уменьшением числа свободных радикалов в термобрикетах и изменением группового состава при брикетировании. В создании прочных термобрикетов не исключается роль и межмолекулярного взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса), но она имеет второстепенное значение.
Теоретические основы процессов брикетирования влажных дисперсных материалов
Свойства техногенного сырья для производства экструзионных брикетов.
Углеродсодержащее сырья является традиционным объектом брикетирования для использования получаемых брикетов в качестве топлива или восстановителей в металлургических процессах. В современной металлургии для производства различных металлов и сплавов широко используются углеродсодержащие материалы: обычный каменноугольный и формованный кокс, полукокс, мелкий коксик, различные угли, пековый и нефтяной коксы. Отсевы перечисленных материалов используются или принципиально могут быть использованы в качестве углеродсодержащих наполнителей экструзионных брикетов. В отдельных случаях целесообразно использовать отходы производства - опил, щепу, отходы графитации, отходы от обработки угольных стержней, гидролизный лигнин и др.
При решении вопроса выбора углеродистого наполнителя необходимо учитывать комплекс факторов, одним из которых является качественная характеристика наполнителя. В связи с этим рассмотрим несколько подробнее свойства основных углеродистых наполнителей.
Угли и антрациты являются результатом сложного процесса углефикации торфа, который последовательно включает стадии торф - бурый уголь - каменный уголь - антрацит. Угли, в зависимости от своих физико-химических свойств и возможностей использования, делятся на виды, классы, категории, типы, подтипы, кодовые номера, технологические марки, группы и подгруппы. К основным физическим свойствам углей, учитываемым при брикетировании относят: - пористость, которая определяет гигроскопичность углей и характер диффузии связующих.
Угольные поры по величине диаметра и внутренней поверхности делят на макропоры диаметром 5-Ю8 м и 1м2/г, и микропоры(5-15)-10 м и 200м2/г; - дробимость, которая определяет способность углей сопротивляться разрушению под действием дробящих тел. Коэффициент дробимости, равный отношению размеров кусков до и после дробления, для различных мерок углей изменяется от 0,4 до 0,95; - хрупкость - способность углей разрушаться от механических воздействий, по ней оценивают поведение угля в процессе прессования; - смачиваемость характеризует интенсивность растекания связующих по угольной поверхности. Для брикетирования в основном используют бурые угли, мелочь каменных углей и антрацитов. Брикетирование кокса и полукокса каменного угля сдерживается высокой абразивностыо последних.
Особый интерес с позиции выбора углеродсодержащих наполнителей для получения новых высококачественных восстановителей для многих электрометаллургических процессов представляет нефтяной кокс.
Нефтяной кокс является конечным твердым продуктом глубоких превращений нефтяных углеводородов и их гетеропроизводных при термической деструкции.
Качественные показатели нефтяного кокса регламентируются соответствующими ГОСТами и техническими условиями, и зависят от качества перерабатываемого сырья и технологии коксования.
Для брикетирования, а также в качестве углеродистых наполнителей целесообразно использовать мелкий нефтяной кокс, в котором более 80 % частиц имеют размер менее 20 мм.
Нефтяной кокс, по сравнению с каменноугольным, характеризуется низкой зольностью, находящейся в пределах 0,01-0,80 %. Использование нефтяного кокса с низкой зольностью в экструзионных брикетах с малозольным торфом позволяет получить высококачественный углеродистый восстановитель. При этом необходимо учитывать содержание серы, которое в зависимости от сырья для коксования изменяется от 0,5 до 5,5 %. Влажность нефтяного кокса не более 3,0 %, выход летучих до 14%, истинная плотность 2040-2080 кг/м3. Нефтяной кокс обладает низким удельным электросопротивлением и высокой реакционной способностью.
Третью группу наполнителей, содержащих ценные цветные и черные металлы, представляют рудные концентраты и отходы металлургического производства.
При глубоком обогащении большинства руд получают тонкоизмельченные концентраты, содержащие до 80-90 % частиц размером менее 0,06 мм. Такие концентраты не могут быть использованы для непосредственной плавки без специальной подготовки - агломерации, окомкования и брикетирования, в том числе экструзионного брикетирования.
Сырьевой базой для окускования являются железные, марганцевые, хромовые руды и их концентраты, руды и концентраты цветных и легких металлов. Кроме этого, на различных этапах подготовки и плавки металлургического сырья получается большое количество разнообразных отходов, которые могут утилизироваться путем брикетирования и окомкования. При этом к отходам для процессов окомкования предъявляются требования по гранулированному составу и влажности, а для брикетирования особое значение имеют абразивные свойства отходов, определяющие срок службы формовочных инструментов прессового оборудования.
При проведении экспериментальных исследований автором использовались более 40 наполнителей, которые подразделены на наполнители, используемые для получения экструзионных брикетов топливного и металлургического назначения. Краткая характеристика углеродсодержащих и металлсодержащих наполнителей, использованных при проведении экспериментальных исследований, представлена в табл. 2.5 и 2.6
Исследование и обоснование режимов сушки экструзионных брикетов
Торфяные углесодержащие экструзионные брикеты могут применяться в качестве топлива и восстановителя в металлургических процессах. При топливно-энергетическом использовании требования к сжигаемому топливу будут определять требования к экструзионным брикетам и их составу. В частности, состав торфяных углесодержащих брикетов должен обеспечивать высокую теплоту сгорания, необходимую механическую и термическую прочность, низкую водопоглощаемость при хранении, при этом в продуктах горения не должны присутствовать вредные примеси и загрязнения атмосферы при сжигании новых видов топлива, не должно превышать установленных норм и предельно допустимых концентраций (ПДК) [7].
При разработке новых экструзионных брикетов для металлургического использования к составу последних предъявляется ряд специфических требований, определяемых параметрами тех металлургических процессов, в которых новые экструзионные брикеты планируется использовать.
В работе [64] сформулированы требования к углеродистым восстановителям для производства ферросплавов: - минимальное содержание золы или минимальное содержание в ней вредных и нежелательных примесей для конкретного металлургического производства; - выход летучих веществ с минимальным содержанием компонентов, способных в условиях электроплавки образовывать пиролитический углерод (смола, бензол, метан и другие углеводороды); - содержание серы при выплавке кремнистых ферросплавов и ферромарганца практически не ограничивается, а при производстве феррохрома не должно превышать 0,4 - 0,5%; - минимальное содержание фосфора при производстве ферросплавов; - нижний предел крупности при выплавке ферросплавов 12-20 мм, количество мелких классов 0-6 мм ограничено, так как они снижают газопроницаемость колошника; - повышенное удельное электрическое сопротивление (УЭС). Так УЭС оказывает значительное влияние на общее электросопротивление ванны печи и распределение в ней выделяемой мощности; - высокая реакционная способность (PC). Реакционная способность характеризует химическую активность углеродистых материалов и ее оценивают обычно по скорости взаимодействия COi+C.
Обобщенных требований к качеству восстановителей для прямого получения железа в настоящее время не разработано. Лучшим для этого процесса считается топливо, обеспечивающее наибольшую скорость восстановления, характеризующееся высоким выходом летучих, высокой температурой плавления золы, низким содержанием серы и фосфора.
Одной из задач диссертации являлась разработка технологии производства нового малозольного восстановителя на основе торфа для использования в электрометаллургии при выплавке кремния. При этом к новому восстановителю предъявлялись следующие требования: он должен быть в окускованиом виде, иметь достаточную механическую стойкость, термоустойчивость, водопоглощаемость, содержать максимально возможное количество твердого углерода, участвующего в процессе восстановления кремния. И основным требованием являлось химическая чистота восстановителя: зольность не более 5% и содержание железа, кальция и алюминия по отдельности менее 0,5%.
Комплексный анализ торфяных сырьевых ресурсов и возможных углеродистых наполнителей показал, что в наибольшей степени указанным требованиям удовлетворяет малозольный торф травяной, травяно-моховой и моховой групп верхового и переходного типов. При выборе торфяного сырья, кроме химического состава золы, учитывался его групповой состав и рекомендации по получению прочной и водостойкой формованной продукции [36]. Из возможных углеродистых наполнителей, включающих нефтяной кокс, пековый кокс, отсев древесного угля, отходы графитации угольных стержней, отходы электродного производства, наилучшие качественные показатели получены при использовании нефтяного кокса. Рассмотрим решение данной модели применительно к двухкомпонентной смеси торфа и нефтяного кокса при производстве торфоуглеродистого восстановителя: CjX; + с2х2 = F — max (3.1) апХ] + апХ2 5 (3.2) а2іХ/ + CI22X2 -S" 0,5 (3.3) a3ix, + а32Х2 0,5 (3.4) а4]Х\ + а42 2 0,5 (3-5) a5,xi + а52х2 )ф-WIVI (3.6) X] + Х2 =1 х, 0, x2 0,Wm 0, Wm W4 , где с/ и С2 - соответственно процентное содержание твердого углерода в торфе и нефтяном коксе; F - содержание твердого углерода в композиционной шихте; ац, ci2i - соответственно зольность на сухое вещество торфа и нефтяного кокса; СІ2І, &22 азі, СІ32, а41, а42 - соответственно процентное содержание в торфяной и коксовой золе железа, кальция, алюминия; Osi, 52 - соответственно влагосодержание торфа и нефтяного кокса; X/, Х2 - соответственно содержание торфа и нефтяного кокса в составе брикета; W p - влагосодержание, при котором обеспечивается пресс-формование экструзионных брикетов; Wm - увлажнение композиционной шихты в случае введения пластификатора (воды) или связующего.
Таким образом, оптимизация двухкомпонентной смеси торфа и нефтяного кокса сводится к нахождению максимально возможного содержания углерода в экструзиоиных брикетах (формула 3.1) при ограничениях по качественному и количественному составу зольных элементов (3.2 - 3.5) и выполнении условий получения качественной продукции (3.6).
Решение рассматриваемой задачи достаточно просто может быть получено с использованием поиска решений в приложении к программе EXCEL. Экстремальное значение функции цели F для торфяных углесодержащих экструзиоиных брикетов при использовании нефтяного кокса равно 60 % прих]=19,09. Характеристика торфяных экструзиоиных брикетов, используемых в качестве топлива, приведены в таблице 3.1.
Анализ эффективности использования торфяных экструзионных брикетов в металлургии
Таким образом, экструзионные брикеты прошли испытания на муниципальных котельных в поселках МО г. Березовский. Испытания дали положительные результаты по качественным показателям и эффективности использования.
На экструзионные брикеты разработаны и утверждены технические условия и получены гигиенические сертификаты. Технологическая, экономическая и экологическая эффективность, а также высокая обеспеченность торфяными и технологическими ресурсами свидетельствует о возможном широком использовании предлагаемой технологии производства топливных композиционных брикетов.
Использование торфа в металлургии представляет особый интерес по многим причинам. Во-первых, большинство районов с развитой металлургической промышленностью, работающих на дальнепривозном углеродистом топливе, имеют собственные значительные запасы торфа. Во-вторых, торф имеет низкое содержание серы и фосфора. Верховые виды торфа являются сравнительно малозольными. Средняя зольность торфа не превышает 4-5%. При разработке верховой залежи фрезформовочным способом получается прочная и плотная продукция в виде кусков заданной формы и размеров. Плотный и прочный торфяной кусок является хорошим сырьем для получения торфяного кокса. В-третьих, ряд ценных специфических свойств торфяного кокса и полукокса (высокая реакционная и поглотительная способность, легко поддаются активации, обладают высоким электрическим сопротивлением) определяют высокую эффективность использования их вместо древесного угля и каменноугольного кокса в качестве углеродистого восстановителя [118-122]/. Известны следующие направления использования торфа в металлургических процессах: - применение торфяного кокса и полукокса в качестве отощающего компонента шихты; - для агломерации железных руд; - в производстве ферросплавов; - использование фрезерного торфа для термического разложения в реакторе аэрофонтанного типа с последующим вдуванием полученного пылевидного торфяного кокса в горнодоменных печах с целью частичной замены каменноугольного кокса; - производство топливно-плавильных материалов на основе торфа и термобрикетов для доменного процесса и торфорудных брикетов для внедоменного получения стали в кипящем шлаковом слое и для производства губчатого железа с последующей переплавкой в сталь в индукционных печах; - в качестве сырья для производства активных углей, карбюризатора для цементации стали, кузнечного топлива и других производств.
Вопросами комплексного использования торфа и продуктов его термической переработки в металлургических процессах на протяжении целого ряда лет совместно с металлургическими заводами занимался ряд научно-исследовательских и проектных институтов.
Ленинградским политехническим институтом совместно с Череповецким металлургическим заводом (ЧМЗ) был выполнен цикл работ по энерготехнологическому использованию торфа, добываемого на топливной базе Череповецкой ГРЭС. При этом предлагалось на ГРЭС сжигать газ пиролиза торфа, а пылевидный торфяной полукокс -использовался для вдувания в горн доменных печей.
Институтом горючих ископаемых, институтом металлургии им. А.А.Байкова и Новотульским металлургическим заводом исследована возможность использования торфяного кокса для получения топливно-рудных гранул при прямом восстановлении железа и в качестве сырья для доменного процесса. Степень восстановления железа из гранул в кипящем слое в течение 3-5 минут составила 95-97%.
Во ВНИИТП получен положительный результат использования торфяного кокса в коксовой шихте. На Ленинградском коксогазовом заводе (состав шихты: торфяного кокса - 10%, угля марки Ж-10 - 90%) был получен кокс по качественным показателям не уступающий заводскому коксу.
Использование термобрикетов в металлургических процессах детально изучалось проблемной лабораторией по торфу Томского политехнического института.
Термобрикетирование предполагает предварительный нагрев топлива до температуры пластифицирования с последующим прессованием и охлаждением. Термобрикеты обладают повышенными теплотой сгорания, прочностью; термостойкостью и малой водопоглощаемостью.
Положительные результаты по использованию топливно-плавильных композиций в металлургических процессах получены в Московском горном институте. Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют, что более высокие показатели механической прочности термобрикетов при использовании в качестве связующего верхового торфа (рис. 4.2-.4.5).
