Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ технологий утилизации отработанных смазочных материалов и элементов вооружений, подлежащих уничтожению 5
1.1. Оценка экологической опасности отработанных смазочных материалов и анализ способов их утилизации 5
1.2. Проьлема утилизации списанных боеприпасов и анализ применяемых технологий 17
1.3. Доменная печь как агрегат утилизации отходов 28
1.4. Характеристика эковут и особенности его сгорания в доменной печи 30
1.5. Постановка и обоснование задач исследований 32
Глава 2. Экспериментальные исследования свойств водоугольного топлива с добавками артиллерийского пороха 34
2.1. Экспериментальные исследования реологических свойств топлива 34
2.2. Исследования по сжиганию эковут-ап в лабораторных условиях 50
Глава 3, разработка основ технологии производства водоугольного топлива с добавка ми артиллерийс кого пороха 52
Глава 4. Компьютерное моделирование доменной плавки с вдуванием водоугольных топлив, содержащих вв и пороха, и отработанных смазочных материалов 57
4.1. Методика расчета состава и температуры водоугольных топлив, содержащих вв и пороха, при компьютерном моделировании доменной плавки 58
4.2. Компьютерное моделирование доменной плавки с вдуванием вв и і юрохов и составевут 63
4.3. Компьютерное моделирование доменной плавки с вдуванием отработанных смазочных материалов 66
Глава 5. Разработка методики оценки коэффициента замены кокса вдуваемым комбинированным топливом 71
Выводы 75
Список литературы 77
- Доменная печь как агрегат утилизации отходов
- Постановка и обоснование задач исследований
- Исследования по сжиганию эковут-ап в лабораторных условиях
- Компьютерное моделирование доменной плавки с вдуванием вв и і юрохов и составевут
Введение к работе
Развитие мировой цивилизации в XX веке характеризовалось быстрым ростом энергетики, горно-добывающей промышленности, химии, металлургии, машиностроения, транспорта и промышленности вооружений как в индустриальных, так и в ряде развивающихся стран, и происходило в условиях все более заметного истощения природных ресурсов, загрязнения окружающей среды, накопления промышленных и бытовых отходов и создания все возрастающих запасов оружия, включая оружие массового уничтожения. Все это, а также изменение геополитической обстановки в мире, уменьшение и ликвидация противостояния двух политических систем привело к принятию на Конференции ООН по окружающей среде и развитию в 1992 году концепции устойчивого развития, которая предполагает «нормальное, устойчивое развитие человеческого общества во всех странах мира на основе: заботы о людях, которые имеют право на здоровую жизнь в гармонии с природой; рационального использования природных ресурсов; сохранения биологического разнообразия природных экосистем, которое обеспечивает стабильность экосистемы и сохранение биосферы в целом» /1,2/,
Устойчивое развитие предполагает эксплуатацию природных ресурсов в соответствии как с сегодняшними так и с будущими потребностями и ориентацию технологического развития, обеспечивающую получение прибавочной стоимости при сокращении потребления ресурсов, уменьшении загрязнения окружающей среды и накопления промышленных и бытовых отходов. Такое развитие промышленных кампаний отвечает критерию экоэффективности /ЗЛ
Концепция устойчивого развития имеет важное значение для промышленных и энергетических предприятий России, где за период экстенсивного развития промышленного, энергетического и военного потенциала произошло существенное сокращение природных сырьевых и энергетических ресурсов, образовались значительные по запасам техногенные месторождения металлургического сырья и сформировался источник техногенных энергоресурсов в виде отходов нефтепродуктов, мощность которого продолжает увеличиваться с расширением использования двигателей внутреннего сгорания, а применяемые технологии утилизации этих энергоресурсов не отвечают критерию экоэффективности. Кроме того, в стране довольно остро встала проблема утилизации накопленных запасов элементов вооружений, исчерпавших срок хранения или подлежащих уничтожению.
После энергетики черная металлургия является главным потребителем природных энергоресурсов, основная доля которых расходуется при производстве чугуна в доменных
печах. В то же время, особенности доменного процесса создают большие возможности использовать доменную печь в качестве агрегата для рециклинга промышленных и бытовых отходов /1/. Это подтверждается уже и практикой доменного производства за рубежом и в России.
В данной диссертационной работе рассмотрена возможность утилизации в доменных печах в качестве компонентов доменного топлива отработанных смазочных материалов, а также порохов и взрывчатых веществ, проблема утилизации которых пока еще не нашла эффективного решения.
Доменная печь как агрегат утилизации отходов
Как показали исследования и промышленные испытания в ряде стран мира, наиболее эффективной и экологически безопасной технологией переработки отходов является их утилизация в высокотемпературных процессах черной металлургии /28,29,30/, Некоторые металлургические агрегаты обладают уникальными возможностями для переработки практически любых видов отходов и, кроме того, достаточной производительностью /31/.
В этом аспекте наиболее перспективным агрегатом является доменная печь. Введение в современную доменную печь полезным объемом 2000-3000 м3 50-100 кг отходов на 1 т чугуна означает их переработку в количестве 100-250 тыс. т в год. Помимо высокой производительности процесс выплавки чугуна в доменных печах гарангирует полное исключение выбросов токсичных соединений в окружающую среду /32,33/. Наличие высокотемпературной зоны в горне печи с окислительным потенциалом газовой среды и температурами свыше 2000С обеспечивает полное сжигание горючих элементов отходов, в т.ч. органических соединений, включая диоксины и фураны, В колошниковом газе практически полностью отсутствуют остаточные продукты коксования углей. Доля уносимой газом из печи серы шихты не превышает 10%. При удельном расходе кокса 500 кг/т чугуна и содержании серы в коксе 0,6% унос серы газом и выбросы в атмосферу составят -0,3 кг/т. Аналогичная величина для высокоссрнистых коксов не превысит 2 кг/т. При этом в газе полностью отсутствуют наиболее опасные соединения серы - CSz, С S, COS.
На сегодняшний день наиболее используемой в промышленности с практической точки зрения технологией утилизации отходов в доменной печи является переработка отходов химического производства. Так, на ряде металлургических предприятий Германии с 1991г. проводили широкие опытно-промышленные работы по переработке отходов химического производства в доменных печах. В настоящее время па нескольких доменных печах заводов н Бремене и Айзенхюттенштадте в постоянном режиме перерабатываются крупные партии отходов пластмасс, масел и замасленная окалина /34,35,36,37/, Доменная печь № 2 диаметром горна 12 м металлургического завода в Бремене перерабатывает до 30 кг отходов на тонну чугуна или 70 тыс. т отходов в год. Так как коэффициент замены кокса для пластмасс составляет 0,20-0,25 при переработке обеспечивается экономия кокса в доменной печи в пределах 2-6 кг/т.
Таким образом, переработка различных отходов в доменных печах имеет хорошие перспективы. В этом агрегате созданы практически все условия утилизации отходов при высокой эффективности процесса и гарантированном отсутствии вторичных вредных выбросов в окружающую среду.
Наиболее эффективной с экономической и экологической точек зрения технологией утилизации отходов в доменном процессе, на наш взгляд, является их вдувание в доменную печь в составе композитных жидких то плив, приготовляемых по технологии производства ЭКОВУТ.
В России разработана технология получения на основе угля и воды нового топлива, при производстве которого, а также при его сжигании в энергетических установках не загрязняется окружающая среда, в связи с чем это топливо получило название ЭКОВУТ -экологически безопасное водоугольное топливо /38,39,40/. ЭКОВУТ может производиться из углей практически любого состава с использованием в качестве жидкой среды любой воды, включая промышленные сточные воды, в частности воды, загрязненные нефтепродуктами. Как при производстве, так и при транспортировке и использовании ЭКОВУТ является взрыв о- и пожаробезопасньш /41,42/. Водоугольное топливо ЭКОВУТ может выполнять роль альтернативного топлива по отношению к рядовому углю, мазуту, топливу печному бытовому, природному газу и др.
Технология производства водоугольного топлива ЭКОВУТ заключается в направленном преобразовании исходных компонентов: угля, воды и химических присадок (при необходимости) физико-механическими методами в однородную, нерасслаивающуюся дисперсную топливную систему, которую можно использовать как стабильный продукт с наперед заданными свойствами и составом.
ЭКОВУТ имеет достаточно высокие теплотехнические показатели. В зависимости от поставленных задач это топливо (в расчете на рабочее состояние) может иметь влажность от 30 до 45%, зольность от 1,0 до 15%, низшую теплоту сгорания от 12 до 25 МДж/кг. Пронесе горения водоугольного топлива коренным образом отличается от горения традиционных органических топлив (угольной пыли, жидкого топлива и газа). Важнейшей особенностью при этом является параллельное протекание процессов горения угольных частиц капель распыленного водоугольного топлива и испарения воды, заключенной в этих каплях. Испаряясь в процессе прогрева и горения капель ЭКОВУТ, влага топлива (в виде водяного пара) активирует поверхность угольных частиц, а также сдерживает их деструкцию и выход летучих веществ. В результате процесс горения этого топлива начинается непосредственно с гетерогенных реакций на поверхности капель топлива, а не с воспламенения летучих, как это имеет место при сжигании угольной пыли. При этом температура воспламенения капель водоугольного топлива существенно снижается по сравнению с температурой воспламенения частиц сухого угля. Так для ЭКОВУТ из газового угля она составляет 440 С вместо 650 С, а для ЭКОВУТ ид антрацита - 500-550 С вместо 1000 С.
Водяной пар, проходя из внутренних полостей капель водоугольного топлива через поверхностный раскаленный слой горящих частиц капли, сам участвует в реакциях с углем, существенно увеличивая тем самым скорость горения угольных частиц. В результате протяженность горящего факела водоугольного топлива сокращается в два-три раза но сравнению с пылеугольным и составляет 120-130 % от мазутного факела, что позволяет существенно улучшить тепловые условия процесса.
Постановка и обоснование задач исследований
Процесс горения капель водоугольного топлива сопровождается, как уже отмечалось, параллельно протекающим процессом испарения воды из объема капли. Вследствие этого, даже при наличии значительного температурного градиента в образующихся ксеносферах резко тормозится выход летучих соединений. В связи с этим в зоне горения не создаются условия для процессов локального пиролиза этих соединений при недостатке кислорода, а следовательно, нет и условий для образования на их основе сажи и тяжелых углеводородов.
Стоимостные показатели производства водоугольного топлива в расчете на 1000 М Дж энергии не превышают 15-30 % стоимости энергии исходного топлива /39,45/.
В элементном составе ЭКОВУТ содержится до 7% водорода, что существенно выше, чем в исходном угле. При этом этот водород образуется не за счет вторичных реакций взаимодействия монооксида углерода с водяным паром, а за счет первичных реакций с углеродом, обеспечивающих высокую концентрацию водорода в высокотемпературной зоне доменной печи, где его активность как восстановителя максимальна /46/.
Процесе горения водоугольиого топлива ЭКОВУТ особенно при высоких температурах, характерных для горновой части рабочего объема доменной печи, сопровождается полным отсутствием зоны термической подготовки топлива к воспламенению и длиной факела, не выходящей за пределы циркуляционных зон вблизи фурм доменной печи. Это способствует максимальному образованию первичного монооксида углерода уже в непосредственной близости от фурм доменной печи.
Поскольку при сгорании водоугольиого топлива ЭКОВУТ образуется меньше газов, чем при сжигании газообразного топлива, можно ожидать снижения скоростей газов и более равномерного их распределения в основной части рабочего объема доменной печи, что в конечном счете должно улучшить восстановительные процессы в этой зоне /47,48,49/.
Эффективность использования ЭКОВУТ в качестве дополнительного технологического топлива в доменной печи и высокая толерантность доменного процесса к наличию негорючих примесей и окислителей в топливе позволили предложить состав композитного жидкого топлива, приготовляемого по технологии производства ЭКОВУТ и включающего вещества, подлежащие экологически безопасному уничтожению или утилизации. К числу таких веществ относятся, в частности, взрывчатые вещества и пороха /50/.
Актуальность проблемы экологически безопасной утилизации ОСМ, а также порохов и ВВ, и наличие абсолютно взрыво- и пожаробезопасной технологии производства водоугольиого топлива позволило предложить применение этой технологии для производства композитных жидких то плив с добавками таких компонентов, как ВВ, пороха, ОСМ и др, В связи с этим при планировании данной работы были сформулированы следующие задачи исследования:
Изучение реологических характеристик водоугольиого топлива ЭКОВУТ с добавками артиллерийского пороха. Выбор артиллерийского пороха в качестве добавки обусловлен его физической готовностью к утилизации без предварительной подготовки (извлечения из снарядов и т.п.). Реологические характеристики жидкого топлива являются важнейшими характеристиками, определяющими эффективность его вдувания и диспергирования форсунками.
Исследование особенностей горения ЭКОВУТ с добавками артиллерйского пороха. Необходимость таких исследований вызвана отсутствием каких-либо данных о характере горения водоугольного топлива с добавками порохов и ВВ.
Разработка методики расчета задаваемых при компьютерном моделировании доменной плавки состава и температуры водоугольного топлива с добавками артиллерийского пороха и ВВ. Необходимость методики обусловлена отсутствием в применяемых математических моделях доменного процесса возможности моделировать процесс горения сложных, содержащих кислород соединений.
Компьютерное моделирование доменной плавки с вдуванием композитного топлива (уголь - вода - ВВ(порох)) с целью оценки технологической эффективности (влияния на производительность печи и расход кокса) его применения в доменной печи.
Компьютерное моделирование доменной плавки с вдуванием отработанных смазочных материалов с целью определения коэффициентов замены кокса вдуваемыми отходами с различным содержанием воды.
Разработка методики априорной оценки коэффициентов замены кокса вдуваемым композитным технологическим топливом любого состава, который может быть использован в доменной плавке с целью утилизации отходов.
Исследования по сжиганию эковут-ап в лабораторных условиях
Для проверки основных положений и методов расчета параметров топлива ЭКОВУТ-АП было выполнено моделирование композиции № 22 и исследованы ее структурно-реологические свойства.
Испытания показали, что измеренные значения реологических характеристик модельной композиции № 22 с точностью 5 % (для динамического напряжения сдвига) и 7 % (для структурной вязкости) совпали с расчетными значениями. Седимелтационная стабильность этого топлива также полностью соответствовала номинальным показателям. Полученный результат в полной мере подтверждает адекватность используемой методики создания нового вида водоугольного топлива с пороховым наполнителем, которая позволяет с высокой точностью определять основные характеристики ЭКОВУТ-АП. Используемая методика предполагает следующую последовательность действий: 1. Определение необходимого энергетического потенциала, которым должно обладать топливо ЭКОВУТ-АП. 2. Определение максимально допустимой эффективной вязкости ЭКОВУТ—АП, обеспечивающей возможность вдувания и распыления этого топлива форсунками. 3. Создание модельных композиций водоугольного топлива без пороха в интервале концентраций твердой фазы, близком к предельно максимальному значению. 4. Определение структурно-реологических свойств модельных композиций и вычисление констант реологической модели. 5. Установление закономерностей изменения реологических констант от копцен і-рации угля в ЭКОВУТ без пороха. 6. Создание модельных композиций водоугольного топлива с различным содержанием пороха при фиксированной концентрации угля. 7. Определение структурно-реологических свойств модельных композиций с порохом и вычисление констант реологической модели. 8. Определение эмпирических коэффициентов к и т(Су) изменения реологических констант в зависимости от соотношения содержания пороха и угля z. 9. Выполнение оптимизационных расчетов на основании зависимостей (]), (2) и (3), приведенных выше, для определения оптимальных значений концентрации твердой фазы в ЭКОВУТ-АП и массового соотношения пороха и угля, при которых топливо имеет заданную эффективную вязкость и теплоту сгорания не ниже необходимой. 10. Моделирование композиции топлива ЭКОВУТ-АП оптимального состава и экспериментальное определение характеристик топлива и сопоставление их с расчетными.
Целью настоящего исследования являлось изучение особенностей поведения в высокотемпературной среле капель водоугольного топлива с присадкой пороха по сравнению с обычным водоугольным топливом.
Эксперименты проводили в лабораторной муфельной печи с применением визуального метода наблюдения за поведением единичной капли топлива. В опытах каплю подвешивали на металлической петле и помещали в центральную зону муфеля, после чего производили наблюдения и хронометраж процессов горения и выгорания капель. Капли имели размер 1,0-2,5 мм. Изучение горения капель топлива производили при температуре в муфеле порядка 850-900С при слабом движении воздуха. В процессе экспериментов опыты повторяли в среднем 7 раз до получения повторяющихся и достоверных данных, В результате были установлены некогорые закономерности горения капель ЭКОВУТ и ЭКОВУТ-АП:
Процесс горения ЭКОВУТ протекает в две стадии: прогрев и собственно горение капли без воспламенения летучих веществ. При сжигании капель ЭКОВУТ-АП после прогрева капли имеет место фаза горения, сопровождающаяся появлением пламени. Цвет и вид пламени полностью совпадает с видом пламени, образующегося при сжигании в обычных условиях гранул пороха. 2. Горение ЭКОВУТ-АГ1 наступает при более низкой температуре и протекает более интенсивно, чем горение ЭКОВУТ. Замеры времени с момента помещения капель в центральную зону муфеля до их воспламенения показали, что при наличии пороха в топливе это время сокращается в среднем в два раза. Таким образом, наличие пороха в каплях водоугольного топлива приводит к более раннему воспламенен и ю капель и интенсификации процесса горения, т.е. к повышению реакционной способности топлива.
Горение капель топлива с образованием пламени при прочих равных условиях свойственно более крупным каплям ЭКОВУТ-АП. Это объясняется более высокой вероятностью попадания пороха в крупные капли в силу того, что частицы пороха крупнее угольных. Так как при распылении водоугольного топлива с помощью горелочного устройства (форсунки) образуются капли топлива полидисперсного состава размером от 0,03 до 0.3 мм, то можно предположить, что распределение пороха по каплям различного размера будет соответствовать обнаруженному в лабораторных опытах, и полнота сгорания такого топлива существенно повысится.
Компьютерное моделирование доменной плавки с вдуванием вв и і юрохов и составевут
Компьютерное моделирование доменной плавки проводили применительно к условиям работы доменной печи № 3 ОАО «Тулачермет» объемом 2000 м , среднемесячные отчетные данные о работе которой использовали для настройки математической модели. При моделировании плавки в опытных периодах в качестве вдуваемого топлива использовали комбинироваипое водоугольнос топливо с добавками 5, 10 и 15% ВВ в количестве 50 и 100 кг/т чугуна. Состав шихты, параметры дутья, избыточное давление газа на колошнике, а также содержание кремния и углерода в чугуне во всех вариантах были одинаковыми и отвечали условиям работы печи в базовом варианте.
Основные показатели доменной плавки, полученные при компьютерном моделировании приведены в табл. 25 и 26. Как видно из таблиц, при утилизации ВВ, несмотря на высокое содержание воды во вдуваемом топливе, расход кокса практически не меняется. Увеличение доли ВВ в ВУТ приводит к снижению коэффициента замены кокса ВУТ вследствие «вытеснения» угля ВВ, коэффициент замены которого ниже чем у угля. Снижение коэффициента замены до отрицательных значений приводит к некоторому увеличению расхода кокса. Полученные путем компьютерного моделирования коэффициенты замены кокса вдуваемыми смесями и ВВ при их гипотетическом вдувании в чистом виде приведены в табл. Технико-экономические показатели работы доменной печи №3 ОАО «Тулачермет» с вдуванием 50 кг/т комбинированного топлива по результатам компьютерного моделирования доменной плавки _ Технико-экономические показатели работы доменной печи №3 ОАО «Тулачермет» свдуванием 100 кг/т комбинированного топлива по результатам компьютерногомоделирования доменной плавки Коэффициент замены кокса комбинированным топливом снижается с увеличением содержания химически связанного кислорода в составе В В и, соответственно, с увеличением содержания СОг и FbO в продуктах горения ВВ. Участвуя в реакции газификации углерода, эти оксиды значительно понижают теоретическую температуру горения и увеличивают расход кокса, что снижает производительность нечи. Однако высокая теплота сгорания ВВ может частично компенсировать затраты тепла в фурменной зоне на реакции газификации. Так, коэффициент замены кокса чистым гексогеном, в продуктах сгорания которого содержится 18% НгО и -14% СХЪ, значительно превосходит коэффициент замены кокса артиллерийским порохом, при сжигании которого образуется 15% НгО и -16% СОг Несмотря на положительное значение коэффициента замены кокса чистыми ВВ (табл. 27), высокое содержание воды (46,5 %) в ВУТ, необходимое для обеспечения заданных реологических свойств и безопасности вдувания такого топлива, делает его практически бесполезным для доменной плавки, т.к. его использование не решает задачу снижения расхода кокса и несколько снижает производительность печи. Однако с точки зрения технологичности процесса способ вдувания ВВ и порохов, исчерпавших срок годности, в составе комбинированного топлива в доменные печи представляется наиболее перспективным, поскольку он не оказывает существенного отрицательного воздействия на процесс доменной плавки и позволяет безопасно и эффективно утилизировать большие объемы ВВ и порохов. Гак, вдувание ВУТ с 10% ВВ в количестве 100 кг/т в доменнуто печь объемом 2000 м позволит утилизировать около 10 тыс.т ВВ в год. Кроме того, наличие ВВ и порохов в составе ВУТ, как показали лабораторные исследования, способствует более раннему воспламенению и интенсификации процесса горения ВУТ, что в итоге ведет к повышению полноты сгорания вдуваемого топлива в фурменной зоне доменной печи.
