Содержание к диссертации
Введение
І. Состояние вопроса и постановка задач 13
1.1 Анализ современного состояния переработки железосодержащих техногенных отходов на предприятиях черной металлургии 13
1.2 Анализ работы агрегатов для обжига дисперсных материалов 19
1.3 Основные закономерности циклонного процесса 23
1.4 Выбор конструкции агрегата для тепловой обработки дисперсных материалов 31
Задачи исследования 34
2. Экспериментальное исследование технологических процессов в циклонном агрегате 34
2.1 Экспериментальная установка и методика исследований 34
2.2 Определение показателей движения материала в установке ... 44
2.3 Экспериментальное исследование процесса теплообмена в роторно-вихревом агрегате 48
2.4 Тепломассообмен в движущемся слое материала 58
Выводы 63
3. Исследование процесса тепловой обработки железосодержащих техногенных отходов 64
3.1 Экспериментальное исследование процесса переработки прокатной окалины 64
3.2 Экспериментальное исследование процесса переработки стружки серого чугуна 73
3.3 Расчет тепловой схемы промышленной установки 81
Выводы 4. Промышленное внедрение агрегатов для тепловой обработки железосодержащих техногенных материалов 88
4.1 Опытно-промышленное опробование роторно-вихревого агрегата 88
4.2 Установка для переработки прокатной окалины 92
4.3 Установка для переработки чугунной стружки 98
4.4 Использование подготовленных к переработке в металлургическое сырье железосодержащих материалов 105
4.4.1 Исследование использования прокатной окалины... 105
4.4.2 Исследование использования стружки серого чугуна . 108
4.5 Экономическая и экологическая оценка эффективности технологии переработки железосодержащих техногенных отходов 109
4.5.1 Оценка затрат на производство и дохода от реализации прокатной окалины 109
4.5.2 Оценка затрат на производство и дохода от реализации стружки серого чугуна 114
Выводы 115
Заключение 117
Библиографический список
- Основные закономерности циклонного процесса
- Определение показателей движения материала в установке
- Экспериментальное исследование процесса переработки стружки серого чугуна
- Исследование использования стружки серого чугуна
Введение к работе
Актуальность работы
Одной из важнейших тенденций стратегии развития металлургической промышленности России на период до 2020 года является ресурсосбережение и снижение негативного экологического воздействия на фоне повышения стоимости энергоресурсов и требований к охране окружающей среды.
Возрастающее накопление техногенных отходов, удорожание энергоресурсов и шихтовых материалов, ужесточение природоохранных нормативов приводят к необходимости поиска экономичных и эффективных технологий и оборудования для получения железосодержащего металлургического сырья. Наличие избыточной влаги и нефтепродуктов затрудняет использование прокатной окалины и чугунной стружки в качестве шихты в металлургическом переделе. Проблема их использования в качестве железосодержащих материалов может быть успешно решена на основе достижений металлургической теплотехники. Эта проблема является исключительно актуальной.
Тепловая обработка железосодержащих дисперсных материалов является важной составной частью многих промышленных технологий черной металлургии и от ее правильной организации зависит экономика процесса, качество продукции и экология окружающей среды.
Современные агрегаты для тепловой обработки дисперсных материалов: вращающиеся печи, печи кипящего слоя и циклонные печи во многих случаях не позволяют осуществить технологический процесс с высокой интенсивностью при минимальных затратах энергоресурсов.
Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России по теме: «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области металлургических технологий», государственный контракт №02.740.11.0152.
Цель работы: научное обоснование способа получения качественного железосодержащего металлургического сырья, создание, внедрение энерго- и ресурсосберегающей технологии и агрегата для тепловой обработки техногенных отходов.
Методы исследований:
Методы физического моделирования тепло- и массообменных процессов на экспериментальной установке для установления характеристик теплообмена в зависимости от технологических требований.
Методы математического моделирования тепло- и массообменных
процессов для получения расчетных зависимостей режимных и
конструктивных параметров.
Научная новизна
Описан механизм роторно-вихревого движения материала, раскрывающий особенности тепло- и массообменных процессов при тепловой обработке техногенных отходов.
Установлена зависимость коэффициента теплоотдачи конвекцией от скорости ввода потока теплоносителя, диаметра реактора и теплофизических характеристик теплоносителя.
Установлены закономерности, позволяющие определить время перемещения дисперсного материала от входа до выхода из реактора при роторно-вихревом движении в зависимости от угла наклона реактора, числа оборотов ротора и фракционного состава материала.
Получены данные по пиролизу нефтепродуктов дымовыми газами, которые легли в основу создания тепловой и агрегатной схем промышленных установок.
Практическая значимость
Создана тепловая схема и реализованы тепловые режимы работы роторно-вихревой установки с использованием тепла от сжигания масел для получения качественного железосодержащего металлургического сырья.
Полученные экспериментальные и расчетные результаты использованы для создания следующих установок:
установка для переработки замасленной прокатной окалины на ОАО «Синарский трубный завод» (г. Каменск-Уральский) производительностью 0,6 т/ч. Установка принята в эксплуатацию в июне 2009г., её экономическая эффективность (в ценах 2009г.) с учетом сокращения затрат, связанных с хранением окалины и ее переработкой, составила 1,915 млн. руб. в год, а окупаемость капитальных вложений будет осуществлена в течении двух лет;
установка для переработки замасленной чугунной стружки на ООО «Спецсплав-М» в г. Лысьва. Производительность установки по исходному материалу 2 т/ч. Установка эксплуатируется с апреля 2008г. Экономическая эффективность (в ценах 2008г.) составила 11,2 млн. руб в год. Окупаемость капитальных вложений - около года.
Положения, выносимые на защиту:
- методика расчета конструктивных и режимных параметров роторно-
вихревого агрегата с использованием теплофизических характеристик
процессов сушки и тепловой обработки железосодержащих техногенных
отходов;
зависимости, устанавливающие связь между теплофизическими характеристиками процесса и параметрами работы роторно-вихревого агрегата;
конструкция роторно-вихревого агрегата и особенности тепловой обработки материалов для получения железосодержащего металлургического сырья.
Личный вклад автора:
создание конструкции роторно-вихревого агрегата;
разработка методики исследования и изучение закономерностей процессов тепло- и массообмена в роторно-вихревом агрегате;
обобщение результатов исследований;
- участие в пусконаладочных работах на объектах внедрения.
Апробация работы
Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на
международной научно-практической конференции «Топливно-
металлургический комплекс» АИН им. A.M. Прохорова, г. Екатеринбург, 2007г. и на международной конференции «Проблемы экологии и рационального природопользования стран АТЭС и пути их решения» НИТУ «МИСиС», г. Москва, 2010г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 5 статей в научных журналах, рекомендованных ВАК, и 3 патента РФ на изобретения.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 110 наименований. Материал изложен на 134 страницах машинописного текста, включает 28 рисунков и 39 таблиц.
Основные закономерности циклонного процесса
Заметный вклад в обеспечение черной металлургии железосодержащими материалами, в отличие от рудных материалов может внести вовлечение в стадию подготовки железорудного сырья предварительно обезмасленных техногенных отходов.
Анализ положения в области производства железорудного сырья в России показывает, что в настоящее время практически разрабатываются только месторождения магнетитовых руд. В этом заключается одна из причин истощения запасов подобных руд и, как следствие, возникает необходимость поиска новых источников железосодержащего сырья для черной металлургии [12]. Наиболее перспективным в этом направлении поиска является освоение применения окисленных руд, в том числе оолитовых бурых железняков. Напомним, что технологии ее переработки, как и переработки других нетрадиционных руд, весьма затратные.
Чистая, без масла, окалина и в настоящее время широко используется в агломерационном производстве. Так экономически оправданное среднее содержание окалины в шихте достигает 164 кг/т агломерата, а для Чусовского металлургического завода — 550 кг/т [13]. Увеличению доли окалины в сырье во многом препятствует необходимость организации эффективного способа ее обезмасливания [15]. Задача вовлечения в оборот отходов металлургического и машиностроительного производств полностью до сих пор не решена, хотя исследованию этой проблемы посвящено много работ [14 - 23]. Для ее успешного решения должен быть выполнен ряд условий. При подготовке отходов производства для вторичного использования важно, чтобы ущерб, наносимый этим процессом окружающей среде, был существенно ниже или в крайних случаях не превышал ущерба, причиняемого хранением этих отходов. Также необходимо, чтобы технология промышленной переработки отходов обеспечила требуемые свойства получаемого товарного продукта [22, 23].
Железосодержащими отходами металлургического производства являются пыли и шламы газоочисток агломерационного, доменного, сталеплавильного производства, а также масловлагосодержащая окалина прокатных цехов и железосодержащая стружка машиностроительных предприятий [14]. В настоящее время-; существуют технические решения, позволяющие в заметных объемах утилизировать пыли; и, шламы газоочисток, главным; образом, при производстве агломерата [16] или брикетов, при получении; окатышей с различными связующими, в частности с использованием торфа [15, .17]!
Опыт промышленного применения этих способов показал, что в массе шихты железосодержащие отходы составляют не: более 1,2%, причем в пыли,и шламах содержание масел не должно превышать 1,5% (обычно содержание масел более 5%, а влаги-9%).
Маслосодержащая окалина является ценным сырьем для-металлургического производства, так как ее твердая часть содержит до 72% железа и минимальное количество серы, фосфора и других примесей.
Обезмасливание чугунной- стружки: с; содержанием железа- до 78%, последующее изготовление брикетов и: их плавка с получением, отливок, как и применение обезмасленной; окалины, позволяет уменьшить вред, наносимый природе и получить определенную экономическую выгоду.
В настоящее время на металлургических предприятиях России ежегодно образуется более 9 млн. тонн железосодержащих, отходов. На одном только Челябинском металлургическом комбинате ежегодно образуется свыше 50 тыс. тони шлама, содержащего замасленную окалину [20].
Большая часть маслосодержащей окалины из отстойников направляется в шламонакопители, что является причиной загрязнения почвы и природных вод маслопродуктами.
Наиболее простым и малозатратным способом утилизации замасленной окалины является ее использование в процессах агломерации руд. Однако доля окалины в шихте очень незначительна (примерно 0,3%) из-за того, что при агломерации масла не сгорают, а только испаряются и с потоком газов попадают в вакуум-камеры и далее в эксгаустер. На холодных поверхностях эксгаустера масла конденсируются, на них налипает пыль, из-за чего выходит из строя эксгаустер. Попытки дожечь пары масел в вакуум-камерах не дали положительных результатов [16]. Для успешного использования окалины прокатного производства, как ценного вторичного сырья в металлургии, необходимы технологии, позволяющие удалять масла и влагу из окалины. Несмотря на то, что в течение длительного времени за рубежом и в нашей стране ведутся разработки технологии обезмасливания окалины и часть этих технологий реализована в промышленных масштабах, наличие растущих объемов отвалов замасленной окалины свидетельствует о том, что до сих пор нет эффективного способа ее переработки, хотя предлагается широкий спектр технологий, основанных на химических, механических, биохимических и тепловых методах.
Так, например, для применения механического метода обезмасливания окалины препятствием является сильный абразивный износ узлов- аппаратов, замасливание и забивание фильтровального полотна, невозможность его регенерации.
В технологиях обезмасливания окалины флотацией и на центрифугах не удается получить твердую фазу окалины с содержанием масел менее 4-5%, поэтому ее подвергают дальнейшей обработке [19].
Определение показателей движения материала в установке
Максимальная длина участка интенсивного теплообмена Ьи отмечена при скорости тангенциальной подачи газового потока 180 м/с и составила Ьи 1,3-D, где D - диаметр реактора. Одновременно в этом случае отмечена наиболее высокая температура нагрева теплоприемника - 980 С при примерно одинаковом времени нагрева теплоприемника в опытах с меньшей скоростью газа (рисунок 2.12).
При скоростях входа газового потока 120м/с и 80м/с величина Ьи составила соответственно 0,86 D и 0,5 D. 1,6
Зависимость отношения длины зоны интенсивного теплообмена к диаметру реактора от скорости подачи теплоносителя на входе в реактор
Как показывают приведенные данные, использование высокоскоростного тангенциального потока теплоносителя позволяет увеличить зону интенсивного теплообмена по длине реактора, получить при прочих равных условиях более высокую температуру нагрева материала.
Движение газового потока в реакторе сложное. Входящий поток газа в пристенной области эжектирует газы из объема реактора, а также одновременно за счет разрежения происходит циркуляция газового потока в пристенной и осевой областях.
По-видимому, по аэродинамике движения газового потока роторно-вихревой агрегат можно представить состоящим из двух зон: зону циклонного типа, примыкающую к входу газового потока теплоносителя в реактор и зону, в которой снижается тангенциальная составляющая скорости газового потока в реакторе и начинает превалировать осевая составляющая газового потока. Тангенциальную составляющую газового потока по длине реактора определяли путем замера динамического напора пневмометрической трубкой, направленной навстречу касательного движения газов относительно стенок реактора, примерно на расстоянии 10 мм от поверхности стенки. Величина динамического давления в зоне входа потока теплоносителя принимались за единицу, следующие по длине реактора измерения сравнивали с этими данными. При оценке тангенциальной скорости по ходу движения газового потока в рабочем пространстве агрегата, которая к выходному участку реактора приближается к нулю (рисунок 2.13), можно утверждать о правомерности данных измерений.
Коэффициент теплоотдачи, как отмечалось, представляет сумму коэффициентов конвективной и лучистой составляющих теплообмена. Так как в опытах изменялась только скорость ввода потока теплоносителя при одинаковой температуре газа и доля лучистой составляющей теплообмена была незначительна и практически не изменялась, то приведенная зависимость описывает изменение коэффициента теплоотдачи конвекцией.
Из полученных данных следует, что коэффициент теплоотдачи между газом и теплоприемником в зоне интенсивного теплообмена практически прямо пропорционален скорости подачи газового потока и увеличение скорости ввода газа с 80 м/с до 180 м/с позволяет повысить коэффициент теплоотдачи примерно в два раза. Такая зависимость между скоростью теплоносителя и показателями теплообмена свидетельствуют об определяющей роли в теплопередаче конвективного теплообмена. Как следует из условий проведения опытов, схема движения газового потока представляет собой обтекание практически неподвижного теплоприемника (из-за низкой скорости его перемещения) высокоскоростным потоком теплоносителя. Имеющиеся в научной литературе данные [86] описывают теплообмен между шаром и набегающим на него потоком теплоносителя - воздуха, в виде зависимости Nu = f(Re,Pr). (2.14) Для сравнения расчет по формуле, приведенной в [87], дает значение коэффициента теплоотдачи ас = 870 Вт/м -К. При расчете значение Re определялось по параметрам газового потока в сопловой части камеры сгорания, так как сложная система движения газов в пространстве реактора не позволяет однозначно оценить параметры газового потока, набегающего на теплоприемник. Измеренное значение ас при входной скорости газового потока 120 м/с составляет в среднем 310 Вт/м -К. По-видимому, физическая картина1 теплообмена в реакторе значительно сложнее случая прямого взаимодействия набегающего потока и шара, так как струя входящего газового потока вызывает эжекцию газовой среды реактора, образование вихревого движения по длине реактора и в целом интенсифицирует процесс теплообмена. На основании измеренных значений ас рассчитаем число Bi, характеризующее режим нагрева шара:
Полученное значение Bi меньше 0,5 [81], что характеризует шар как термически тонкое тело и подтверждает сделанное ранее допущение.
Процесс теплообмена принудительно пересыпающегося материала с тангенциально подаваемым теплоносителем, по-видимому, одна из главных составляющих тепловой обработки, что показывают результаты опытов по нагреву единичного теплоприемника.
Значительную роль играет также движение слоя материала, взаимодействие частиц с потоком газов, по существу организация максимальной поверхности теплообмена. Проведенные исследования позволяют сделать следующий вывод - скорость потока теплоносителя при истечении в реактор оказывает существенное влияние на интенсивность теплообмена. С повышением скорости потока газов увеличивается длина участка интенсивного теплообмена, практически пропорционально росту скорости увеличивается значение коэффициента теплоотдачи конвекцией.
Полученные данные необходимо использовать при разработке режима процесса тепловой обработки, конструкции камеры сгорания, для определения входных параметров по давлениям газа и воздушного дутья.
Экспериментальное исследование процесса переработки стружки серого чугуна
Для определения рациональной температуры тепловой обработки материала, которая обеспечивает практически полное обезмасливание в условиях, близких к промышленным, были проведены опыты 3, 4, 5 при различной температуре нагрева материала. Изменение содержания масла в готовом материале в зависимости от этой температуры приведено на рис. 3.3.
Исходное содержание масла в материале составило 3,5%. При температуре прокаленного материала 260 С содержание масла составило 1,5%, при температуре 380 С - 0,4%. Полное удаление масла обеспечивается прокалкой материала при температуре 500 С и выше. Очевидно, что с точки зрения дальнейшей обработки материала и снижения затрат оптимально следует вести процесс прокалки в пределах температур до 500 С на обезмасливание стружки, является конечная температура нагрева материала, то есть остаточная концентрация масла зависит от свойств масла, температуры возгонки отдельных фракций, а не определяется только временем нагрева.
При проведении опытов, определении режима сжигания топлива было обращено внимание на тот факт, что, так как обжигу подвергают материал, содержащий металлическое железо, то возможно его окисление свободным кислородом, а также С02 и Н20, содержащимися в продуктах сгорания топлива. Поэтому изначально опыты проводились с минимальными значениями коэффициента расхода воздуха а близким к единице, то есть коэффициент расхода воздуха в опытах изменяли в пределах а = 1,02 - 1,10.
Кроме того, отсутствие кислорода или его минимальное содержание обеспечивают режим прокалки материала без воспламенения паров масла в реакторе.
Как показали результаты опытов, при всех режимах прокалки, в том числе и при повышенных температурах (640 С), материал из реактора выходил не подверженный окислению.
Так как в процессе прокалки стружки происходит пиролиз масла, содержащегося в материале, то образующаяся газовая фаза является, по-видимому, защитной атмосферой от окисления чугуна.
Это подтверждается данными таблицы 3.8, где приведены результаты определения состава газа, образующегося в реакторе при обжиге материала.
Как показывают данные таблицы 3.8, атмосфера в реакторе характеризуется практическим отсутствием свободного кислорода при относительно высоком содержании водорода Н2 и окиси углерода СО (в сумме до 16%), являющихся восстановителями. Изменение режимных параметров прокалки - нагрузки по материалу, времени обжига, температуры прокалки - несущественно отражается на составе пиролизного газа, только с повышением температуры прокалки увеличивается содержание метана примерно в два раза. Часть продуктов пиролиза по наблюдениям не газифицируется и остается в виде тумана.
Наличие значительного количества восстановительных газов СО и Н2 объясняет, по-видимому, то обстоятельство, что процесс прокалки происходил без окисления металлического железа. Например, соотношение СО/С02 по данным опытов близко к равновесному составу газовой фазы в системе Fe-O-C [95]. В целом, полученные данные по составу пиролизных газов позволяют рассчитать процесс горения пиролизных газов в циклонной печи с определением температуры горения, расходов воздуха на горение и объема продуктов сгорания.
По условиям проведения опытов прокаленный материал с температурой 500 С и выше выгружали в открытую емкость. В процессе охлаждения на воздухе происходило окисление материала, особенно с открытой поверхности. Материал приобретал цвет железной окалины. За сутки при хранении в открытой емкости окислялось примерно половина поверхности стружки. Это обстоятельство показало необходимость организации безокислительного охлаждения прокаленного материала до температур, при которых материал можно выгружать в открытые емкости, на транспортер и хранить на открытом воздухе без окисления.
Для определения температуры, при которой прокаленная стружка не окисляется на воздухе, были проведены опыты по следующей методике. Проба прокаленного материала нагревалась в электропечи в атмосфере аргона до 100 С и затем охлаждалась на воздухе, вторая проба нагревалась до 200 С и охлаждалась на воздухе и так далее.
Исследование использования стружки серого чугуна
Эффективность применения разработанной технологии термического обезвреживания замасленных твердых промышленных отходов определяется прибылью от продажи подготовленной окалины (стружки и т.д.) как сырья для металлургического производства, с одной стороны, и сокращения ущерба, наносимого окружающей среде и, следовательно, уменьшением выплат за размещение в отвалах замасленных отходов.
На установке для утилизации маслосодержащих отходов, проект которой выполнен для ОАО «Синарский трубный завод», за счет переработки 3500 т/год замасленной окалины образуется 2625 т/год железосодержащего продукта с содержанием железа до 66 %. Мелкодисперсная окалина является ценным сырьем для производства агломерата и железорудных окатышей [105]. При ее использовании в шихте значительно возрастает производительность обжигового оборудования и снижается расход топлива за счет окисления магнетита, содержащегося в окалине. Огневое обезвреживание маслосодержащих отходов является одним из способов снижения энергоемкости продукции [106].
На основе выполненного проекта установки для утилизации маслосодержащих отходов на» участке ОСПС энергоцеха ОАО «Синарский трубный завод» по методике [107] произведена оценка экономической эффективности ее строительства. Проект предусматривает размещение установки в существующем корпусе энергоцеха завода и ее эксплуатацию без увеличения численности персонала.
Работа установки обеспечит переработку уже накопленных предприятием твердых отходов и предотвратит образование новых отходов, загрязняющих почву, поверхностные и подземные воды.
Определение выбросов вредных веществ в атмосферу при переработке маслосодержащих отходов выполнено на основании результатов инструментальных замеров при пуско-наладочных работах на печи сжигания маслоотходов ОАО «Ревдинский завод по обработке цветных металлов» [108] с учетом планируемой производительности.
Полученные значения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от технологического оборудования (продукты горения природного газа, паров масла и нефтепродуктов), а также от автотранспорта на территории утилизации маслоотходов приведены в таблице 4.19.
Работа установки для? переработки; замасленных промышленных: отходов І исключает использование технической- воды на производственные: нужды и. дополнительно питьевой воды на хозяйственно-питьевые нужды, так как численность персонала цеха не увеличивается; Следовательно; нет ущерба; наносимого водному бассейну, не требуется дополнительных мероприятий для, очистки сточных вод в промливневую канализацию:
В результате переработки получается: 2625 т/год. минерального остатка (окалины), который является товарной продукцией: по ЕОЄТ 2787-75.
Твердыми отходами, образующимися на- установке, являются пыль из пылеулавливающего циклона и системы, мокрой очистки тазов; отложения золы и-шлака на внутренних поверхностях топки, отходы огнеупоров. Однако пыли из циклона и после мокрой очистки также являются товарным продуктом.
Расчет платы за ущерб, наносимый природной среде до и после внедрения установки утилизации маслосодержащих отходов выполнен в соответствии с Постановлением правительства Свердловской обл. № 252 от 20.03.2006г., по которому плата за 1 тонну отходов 4 класса опасности составляет 548,96 руб/т. Годовой объем подлежащей утилизации замасленной окалины равен 3500 тонн. Годовая плата за размещение этих отходов составит 1921,36 тыс. руб. /год.
Расчет платы за выбросы в атмосферу представлены в таблице 4.20. Таблица 4.20 — Расчет платы за выбросы в атмосферу
Наименование загрязняющеговещества Массавыбросов,т/год Норматив платы за выброс 1тзагрязняющих веществ в пределахустановленных допустимыхнормативов выбросов, рублей Плата за выброс, рублей
Сравнение эколого-экономических показателей до и после внедрения установки утилизации маслосодержащих отходов (УУМО) показаны в таблице 4.21.
Сравнение эколого-экономических показателей до и после внедрения установки утилизации маслосодержащих промышленных отходов позволяет сделать вывод, что сокращение платы за выбросы составит 1915,45 тыс. рублей/год или 730 руб./т товарной окалины.
Цена реализации обезмасленной окалины принята по цене покупки окалины марки 27А на металлургическом портале по купле-продаже металла через Интернет [109] по состоянию на 2009г. Приведенные ориентировочные расчеты показывают, что за счет продажи обезмасленной окалины и сокращения затрат на хранение необработанной окалины срок окупаемости капитальных вложений составит примерно 2 года. Очевидно, что при переработке окалины, находящейся в отвалах предприятия, экономия от продажи готового продукта и от снижения экологических платежей увеличивается в разы.
