Разработка научных основ и агрегата для получения железосодержащего металлургического сырья из техногенных отходов

На правах рукописи

ПОДКОВЫРКИН Евгений Геннадьевич РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ И АГРЕГАТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩЕГО МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО СЫРЬЯ ИЗ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ Специальность 05.16.07 – Металлургия техногенных и вторичных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 2011

Работа выполнена в ОАО «Научно-исследовательский институт металлургической теплотехники» и в ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» Научный руководитель кандидат технических наук, профессор Советкин Владислав Львович

Официальные оппоненты: доктор технических наук Фролов Юрий Андреевич кандидат технических наук Горбачев Валерий Александрович Ведущая организация ОАО «Уралгипромез»

Защита состоится 28 октября 2011 г. в 1300 на заседании диссертационного совета Д 004.001.01 при Учреждении российской академии наук Институт металлургии Уральского отделения РАН по адресу: 620016 г. Екатеринбург, ул. Амундсена, 101.

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке УрО РАН.

Автореферат разослан « » сентября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук Дмитриев А.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 1. Описан механизм роторно-вихревого движения материала, раскрывающий особенности тепло- и массообменных процессов при тепловой обработке техногенных отходов.

2. Установлена зависимость коэффициента теплоотдачи конвекцией от скорости ввода потока теплоносителя, диаметра реактора и теплофизических характеристик теплоносителя.

3. 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.

4. 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, 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. А.М. 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 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 страницах машинописного текста, включает 28 рисунков и 39 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулирована цель работы, дана характеристика ее научной новизны и практической ценности, приведены структура и объем диссертации.

В первой главе «Состояние вопроса и постановка задач» приведен аналитический обзор, посвященный проблемам тепловой обработки железосодержащих техногенных отходов на металлургических предприятиях.

Выполнен обзор литературных данных по аэродинамике и тепломассообмену при тепловой обработке дисперсных материалов в различных агрегатах.

Установлено, что для экономичной и экологически эффективной переработки железосодержащих техногенных отходов необходимо создание принципиально новой технологии и соответствующего ей агрегата.

На основании проведенного аналитического обзора сформулированы задачи исследования:

1. Разработка тепловой схемы установки с использованием роторно вихревого агрегата для тепловой обработки влажных и замасленных материалов с дожиганием пиролизных газов (продуктов деструкции масла).

2. Экспериментальные исследования процессов тепло- и массообмена в роторно-вихревой установке с оценкой показателей процесса в зависимости от режимных и конструктивных параметров.

3. Расчет технологических и конструктивных параметров промышленных установок различной мощности для их проектирования и внедрения на предприятиях металлургического комплекса.

Во второй главе «Экспериментальное исследование технологических процессов в циклонном агрегате» оценено влияние параметров вихревого потока в реакционной циклонной камере на тепло- и массообменные процессы при тепловой обработке техногенных отходов, исходный состав которых приведен в таблице 1.

Таблица 1 – Характеристика исходных техногенных отходов Параметры Замасленная Замасленная прокатная окалина чугунная стружка Диаметр частиц, мм 0,05 - 1,0 0,2 - 2, Содержание масла, % 8,7 - 11,4 2,9 - 3, Содержание влаги, % 12,1 - 16,9 1– Fe (общее),% 64 – 67 76 - Область шихта для шихта для использования доменных печей сталеплавильных печей По требованиям технологии содержание воды и масла в готовом продукте не должно превышать 0,5%. Для выполнения этих требований конструкция реактора должна обеспечивать необходимое время и условия для эффективной тепловой обработки техногенных отходов с их перемещением от входа до выхода. В условиях применения циклонного способа подачи теплоносителя устройство при вращении должно иметь минимальное сопротивление вихревому потоку, распределять материал равномерно вдоль поверхности камеры и срезать настыли, образующиеся на внутренних стенках камеры.

Управление режимом перемещения материала происходит за счет регулирования числа оборотов устройства и наклона камеры к горизонту.

Сочетание достоинств предложенного способа обработки – высокая скорость тепло- и массообменных процессов и обработка в пересыпающемся слое, где регулируется время пребывания материала, реализовано в предложенном автором роторно-вихревом агрегате, работающем в режиме противотока.

Роторно-вихревой агрегат (реактор) это неподвижная циклонная печь со встроенным механизмом перемещения материала – ротором. Перемещение материала (рисунок 1) вдоль поверхности реактора осуществляется вращающимся роторным механизмом (2), имеющим перегребные полки, а поступательное движение слоя (3) определяется углом наклона корпуса реактора (1).

Рисунок 1 - Схема движения материала Изменяя число оборотов ротора, управляют временем обработки материала в реакторе. Ввод теплоносителя в реактор производится тангенциально через сопло (4). Материал через загрузочную течку подается в реактор и движется по спирали навстречу потоку газов в осевом направлении.

Газовый поток за счет тангенциального ввода со скоростью до 100 м/с приобретает интенсивное вращение в поперечном сечении реактора. За счет высокой относительной скорости между газом и материалом и пересыпания дисперсного материала полками ротора происходит интенсивный нагрев материала.

Для сравнения движение материала во вращающемся барабане обжиговых печей и сушил определяется соотношением сил: тяжести, центробежной и трения о внутреннюю поверхность барабана. Благодаря наличию силы трения становится возможным подъем материала.

При наиболее эффективном для теплообмена водопадном режиме, наблюдаемом при высоких скоростях вращения барабана, материал после кругового участка отрывается от поверхности и движется дальше по параболической траектории. В этом случае объем занятый движущимся материалом, значительно больше объема этого же материала в неподвижном состоянии. Использование лопастей или секторной насадки во вращающихся барабанах ограничивается свойствами обрабатываемого материала, налипающего на стенки барабана.

По визуальным наблюдениям в роторно-вихревом агрегате материал движется по круговой траектории за счет вращения ротора и потока теплоносителя, при этом слой материала занимает от 90% до 70% внутренней поверхности реактора в зависимости от его длины. При движении решающую роль имеет центробежная сила, возникающая при большей скорости вращения ротора (до 30 об/мин) и высокой скорости вращения потока теплоносителя (до 100 м/с). При степени заполнения реактора около 5% образуется тонкий слой материала и можно принять его толщину постоянной по длине реактора.

Для исследования процессов тепловой обработки техногенных отходов в вихревом потоке в институте ВНИИМТ была создана экспериментальная установка производительностью до 100 кг/ч (рисунок 2). Установка включает в себя реактор, систему отопления, систему подачи и выгрузки материала, систему отвода продуктов горения, систему управления и контрольно измерительные приборы.

Корпус реактора (1) представляет собой полый цилиндр, с торцов закрытый крышками и наклоненный под углом 1 - 3 градуса к горизонту.

Крышки имеют в центре отверстия под вал ротора (12), соединенный с механизмом вращения (11). На оси ротора укреплены лопатки (2) с длиной и диаметром, несколько меньшими длины и диаметра реактора. Дисперсный материал из загрузочного бункера шнековым питателем (10) подается в реактор. Обработанный материал выгружается через патрубок в разгрузочный бункер (13).

Рисунок 2 - Схема экспериментальной установки Отходящие газы через охладитель (9) поступают для очистки от пыли в пылеулавливающий циклон (6) и дымососом (7) выбрасываются в дымовую трубу (8). Корпус реактора (1) соединен с теплогенератором (3), расположенным перпендикулярно горизонтальной плоскости. В теплогенератор подается топливо и воздух от вентилятора (5). Установка оснащена системой управления, позволяющей изменять расходы топлива и воздуха (4), обороты вращения ротора реактора, расход дисперсного материала. Контроль за температурным режимом в ходе опытов осуществлялся с помощью термоэлектрических преобразователей типа ХА (14), подключенных к цифровому прибору (15). Во время опытов отбирали отходящий газ на химический анализ, определяли содержания влаги и масла в исходном материале и конечном продукте.

Для исследования закономерностей движения материала провели опыты по движению в реакторе гранул из диатомитовой глины фракций 0,2 мм, 2 мм и 5 мм. Оценка скорости перемещения материала производилась в зависимости от угла наклона реактора 1, 2, 3 градуса и скорости вращения ротора 9, 13, об/мин.

Установлено, что время пребывания материала в реакторе, необходимое на нагрев материала, испарение влаги и протекание физико химических превращений, составляло 0,7 - 15 мин и практически было обратно пропорционально значениям угла наклона, числу оборотов ротора n, среднему диаметру частиц материала dч, насыпной плотности материала и прямо пропорционально производительности G, длине реактора L и его диаметру D.

В обобщенном виде эта зависимость автором представлена в следующем виде:

0,87 0, 0, 1,075 d ч Gn d = 0,018, мин. (1) ч D L n D L Полученная расчетная формула позволяет производить оценку характеристик движения в роторно-вихревых агрегатах.

В таблице 2 приведены исходные данные и результаты расчета времени пребывания, выполненные по формуле (1) для различных материалов при угле наклона реактора 2 градуса и заданной производительности.

Таблица 2 – Исходные данные и результаты расчета времени пребывания материала в реакторе Параметры Замасленная Замасленная прокатная окалина чугунная стружка Диаметр реактора, м 0,85 0, Длина реактора, м 3,6 3, Производительность, кг/ч 600 Число оборотов, об/мин 22 Время пребывания, мин 12,1 5, Полученные значения времени пребывания являются достаточными для протекания эндотермических реакций в слое материала. Обработка опытных данных показала, что приведенное уравнение удовлетворительно описывает характеристику движения материала в реакторе при угле наклона реактора 1 – 3 градуса, числе оборотов ротора 9 - 22 об/мин, диаметре частиц 0,2 – 5 мм.

По разработанной автором методике проведены исследования по теплообмену, как для единичного нагреваемого элемента, так и для слоя материала, а также по изучению процесса перемещения слоя в реакторе.

Разработана методика измерения теплового потока по длине реактора в зависимости от режимов подачи теплоносителя с использованием медного сферического теплоприемника диаметром 5 мм с зачеканенным термоэлектрическим преобразователем типа ХА. Рассчитанное значение числа Bi для медного теплоприемника меньше 0,5, что характеризует его как термически тонкое тело.

Тепловой поток, поглощенный теплоприемником qш рассчитывали как изменение его теплосодержания Qш за время нагрева н, отнесенное к площади поверхности шара Fш:

Qш, Вт/м2. (2) qш = н Fш Температуру теплоносителя определяли с помощью отсасывающей термопары с термоэлектрическим преобразователем типа ХА, установленной вблизи теплоприемника. Выполнены измерения температуры медного шара теплоприемника при его нагреве во время перемещения вдоль реактора.

Скорость подачи теплоносителя составляла 80, 120, 180 м/с при постоянной тепловой нагрузке и температуре газов на входе в сопло. Изменение скорости входящего потока газов обеспечивали за счет использования конических сопел, установленных на выходе из теплогенератора и имеющих диаметр 23, 28 и 34 мм.

Установлено (рисунок 3), что использование высокоскоростного тангенциального потока теплоносителя позволяет увеличить зону интенсивного теплообмена по длине реактора, получить при неизменном расходе теплоносителя более высокую температуру подогрева материала.

u = 180 м/с u = 120 м/с Температура, С О u = 80 м/с 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Длина, м Рисунок 3 - Зависимость температуры материала по длине реактора от скорости ввода теплоносителя Суммарный коэффициент теплоотдачи рассчитывали как отношение теплового потока, поглощенного шаром, к разности температур между газом и теплоприемником.

Из полученных данных следует, что коэффициент теплоотдачи 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 2 раза. Для изучения конвективного теплообмена в движущемся слое материала использовали разработанную установку, где в качестве сырья для тепловой обработки применяли различные дисперсные материалы (таблица 1).

По результатам комплексных исследований выполнена оценка влияния скорости истечения теплоносителя на характеристики теплообмена в реакторе.

С увеличением скорости газового потока с 50 до 120 м/с интенсивность теплообмена возрастает при изменении коэффициента теплоотдачи от 70 до 125 Вт/м2·К.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией к определяли по разности между значениями суммарного коэффициента теплоотдачи и коэффициента теплоотдачи излучением л, рассчитанного на основании измеренных температур теплоносителя и материала. При скорости газового потока 100 м/с, средней температуре теплоносителя 750 С и средней температуре материала 300 С суммарный коэффициент теплоотдачи составил 112 Вт/м2·К, рассчитанный коэффициент теплоотдачи излучением – 16 Вт/м2·К, тогда коэффициент теплоотдачи конвекцией составит 94 Вт/м2·К.

Полученные значения коэффициента теплоотдачи конвекцией обработали в критериальной форме Nu = f(Re) по принятой методике.

Полученная логарифмическая зависимость приведена на рисунке 4.

Результаты исследований обобщены критериальной зависимостью вида 5 Nu = 0,0236 Re 0,8, 1,3· 10 Re 2,3 · 10, (3) к D где Nu = - число Нуссельта (определяющие параметры: коэффициент uD теплоотдачи конвекцией к, коэффициент теплопроводности );

Re = – число Рейнольдса (определяющие параметры: скорость теплоносителя на входе в реактор u, диаметр реактора D, коэффициент кинематической вязкости теплоносителя при средней арифметической температуре теплоносителя).

Скорость потока теплоносителя на входе в реактор используется в качестве определяющего параметра, как наиболее представительная и легко определяемая величина.

2, 2, 2, 2, 2, lg Nu 2, 2, 2, 2, 2, 2, 5,05 5,1 5,15 5,2 5,25 5,3 5,35 5, lg Re Рисунок 4 – Зависимость Nu=f(Re) Сравнение полученных значений коэффициента теплоотдачи конвекцией к с данными по обжигу во вращающихся печах для глинозема, клинкера, железорудных окатышей показало, что тепловая обработка в роторно-вихревом реакторе увеличивает к на входе в реактор в 10 – 15 раз, а к выходному участку (отношение L/D 2 ) снижается до к для вращающихся печей.

Полученные результаты послужили научно обоснованной базой для создания конструкции камеры сгорания теплогенератора, определения входных параметров по давлениям топлива и воздушного дутья, конструктивных параметров реактора и механизма перемещения материала и разработки тепловых режимов процесса тепловой обработки.

Обобщенные зависимости использованы для создания методики расчета роторно-вихревых агрегатов.

В третьей главе «Исследование процесса тепловой обработки железосодержащих техногенных отходов» представлены и проанализированы результаты исследований на экспериментальной установке (рисунок 2), приведена методика расчета и выполнен расчет конструктивных и режимных параметров роторно-вихревого агрегата.

Для проведения опытов использовали следующие железосодержащие замасленные материалы:

- прокатная окалина, взятая из отстойника прокатного цеха (проба 1) с содержанием масла - 11,4%, влаги - 16,9%;

- прокатная окалина после длительного хранения в отвалах (проба 2) с содержанием масла – 8,7%, влаги - 12,1%;

- стружка серого чугуна с содержанием масла 3,5%, влаги – 5%.

Удельная производительность реактора по исходному материалу составляла 2 т/(м3·ч).

Изменение содержания масла в готовом материале в зависимости от температуры нагрева приведено на рисунке 5.

Содержание масла,% 0 100 200 300 400 о Температура, С 1 – окалина (проба 1);

2 – окалина (проба 2);

3 – стружка чугуна Рисунок 5 - Содержание масла в прокатной окалине и стружке чугуна в зависимости от температуры нагрева Установлено что определяющим параметром, характеризующим процесс обезмасливания окалины и чугунной стружки, является температура нагрева материала. Полное удаления масла достигается при температуре материала - 500 С. Теплота сгорания образующегося пиролизного газа составляет 6,3 – 8,4 МДж/м3. Такой газ может быть использован в качестве топлива.

Пылевынос из реактора не превышал 2 - 5% от "сухой" массы исходного материала.

Конструктивное оформление обеспечивает высокую герметичность реактора, содержание кислорода в теплоносителе менее 1,5%. Полученный пиролизный газ не воспламеняется.

Результаты экспериментальных исследований использованы для расчета технологических параметров и разработки конструкции промышленных агрегатов для тепловой обработки замасленных прокатной окалины и чугунной стружки.

Разработана тепловая схема установки (рисунок 6) с использованием тепла от сжигания масел, позволяющая уменьшить расход топлива на процесс тепловой обработки маслосодержащих дисперсных материалов, улучшить экологические показатели.

1- циклонная печь;

2 - вентилятор;

3 - дымосос;

4- реактор Рисунок 6 – Тепловая схема установки Расчет тепловой схемы установки для тепловой обработки железосодержащих техногенных отходов провели по следующей методике:

1. Определение количества тепла, необходимого на тепловую обработку железосодержащего материала Qто QТО = Qн + Qив + Qим + Q ПТ, кВт, (4) где Qн - тепло на нагрев материала, кВт;

Qив – тепло на испарение влаги исходного материала и перегрев водяных паров, кВт;

Qим - тепло на испарение масла, кВт;

Qпт - потери тепла в окружающую среду от поверхностей агрегатов и газоходов, кВт.

Тепло на нагрев материала:

Qн = G h сок Tм 2, кВт, (5) где G – производительность, кг/с;

h – содержание твердой фазы в материале, кг/кг;

сок - теплоемкость материала, кДж/кг·К;

Tм2 –температура нагрева материала, K.

Тепло, необходимое для испарения влаги материала и перегрева водяных паров:

Qив = G w (q в + с в TГ 2 ), кВт, (6) где w – содержание влаги в материале, кг/кг;

qв – теплота парообразования, кДж/кг;

cв – теплоемкость водяных паров, кДж/кг·К;

ТГ2 – температура уходящих из реактора газов, К.

Тепло на испарение масла Qим = G m (с мс Т им + q мс + с пм (Т Т 2 Т им )), кВт, (7) где m – содержание масла в окалине, кг/кг;

смс, спм – теплоемкости соответственно масла и его паров, кДж/кг·К;

Тим - средняя температура испарения масла, К;

qмс - удельная теплота испарения масла, кДж/кг.

Подставив рассчитанные значения статей теплового баланса (5) – (7) в уравнение (4) и приняв по данным экспериментов, что теплопотери в окружающую среду составляют Qтп=10%, рассчитали количество тепла, необходимого на тепловую обработку железосодержащего материала (Qто).

2. Определение расхода теплоносителя:

QТО, м3/с, (8) VT = cT (Т Т 1 Т Т 2 ) где ст – теплоемкость теплоносителя, кДж/м3·К;

Тг1, Тг2 – начальная и конечная температуры теплоносителя соответственно, К.

3. Определение расхода природного газа:

VT G ( v мс + v в ), м3/с, (9) В= Vо + ( 1) Lo где vм, vв – удельный объем продуктов сгорания масла и водяных паров соответственно, м3/кг окалины;

Vo – теоретическое количество продуктов сгорания, м3/м3;

– коэффициент расхода воздуха, Lo – теоретическое необходимое количество воздуха, м3/м3.

4. Определение расхода воздуха на горение природного газа и паров масла:

Vвоз = В Lo + G m Lo, м /с. (10) 5. Определение расхода теплоносителя из реактора в циклонную печь на дожигание VД:

V Д = VT + G w v вп + G m v мп, м /с, (11) где vмп, vвп – удельный объем паров масла и водяных паров соответственно, м3/кг.

6. Определение расхода уходящих газов:

V ух = B (V0 + ( 1) Lo ) + G v в + G v мс + V ПС, м /с, (12) где Vпс – объем подсасываемого через неплотности воздуха, принятый по данным измерений равным 10%.

7. Определение диаметра реактора при осевой скорости теплоносителя Wт = 1,3 м/с для снижения пылевыноса:

D = VT (TT + 273) / 273 0,785 WT, м. (13) 8. Определение длины реактора L по формуле QТО, м, (14) L= ( k + л ) T D где T – температурный напор, К.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией к рассчитывали по формуле, полученной из критериальной зависимости (3):

0,0236 u 0,, Вт/м2·К.

к = (15) D 0, 0, Коэффициент теплоотдачи излучением л рассчитывали по зависимости:

T TT 4 TM (TT TM ), л = C o TM (16) M 100 где C0 = 5,67 Вт/м2 ·К4 – коэффициент излучения черного тела: Тт, температура теплоносителя, К;

Тм - температура материала, К.

Приведенную степень черноты системы «теплоноситель – материал» тм определяли как:

1 ТМ = 1, (17) + T M где т, м – степень черноты теплоносителя и материала соответственно.

Использование приведенной выше методики позволяет определить основные параметры установки для тепловой обработки железосодержащих техногенных материалов.

Исходные данные и результаты расчета тепловой схемы установки для переработки прокатной окалины приведены в таблице 3.

Теплового ресурса пиролизного газа недостаточно для компенсации расходной части теплового баланса, поэтому автором был выполнен расчет дополнительного расхода природного газа (b) в зависимости от содержания влаги (w, кг/кг) и масла (m, кг/кг) в исходной окалине при производительности 600 кг/ч:

b = 0,308 w + 0,037 (1 w m) 1,35 m, м /кг окалины. (18) Повышенное содержание масла в окалине снижает расход дополнительного топлива за счет сжигания образующегося из нефтепродуктов пиролизного газа и может обеспечить процесс тепловой обработки окалины.

Так, если влажность сырой окалины до 10%, то при содержании масла m=4,6% и выше процесс тепловой обработки можно проводить при минимальном расходе природного газа на дежурную горелку. Экономия природного газа при этом составит 42 м3/т окалины, а дополнительная экономия обеспечивается подогревом воздуха до 200 С в рекуператоре.

Таблица 3 – Исходные данные и результаты расчета тепловой схемы установки для тепловой обработки прокатной окалины Наименование Ед. изм. Величина Производительность по сырой окалине кг/ч Производительность по готовой окалине кг/ч Влажность исходной окалины % Содержание масла в сырой окалине % о Максимальная температура нагрева окалины С о Температура теплоносителя (начальная) С о Температура теплоносителя (конечная) С Тепло на нагрев окалины кВт 78, Тепло на испарение влаги кВт 110, Тепло на испарение масла кВт 8, Теплопотери в окружающую среду кВт 21, Тепло на тепловую обработку окалины кВт 218, м3/ч Расход теплоносителя в реактор м3/ч Расход природного газа 19, м3/ч Расход воздуха на горение м3/ч Расход газов на дожигание м3/ч Расход уходящих газов Диаметр реактора м 0, Длина реактора м 3, В четвертой главе «Промышленное внедрение агрегатов для тепловой обработки железосодержащих техногенных материалов» изложены результаты промышленного внедрения технологии и агрегатов для переработки железосодержащего металлургического сырья и оценка эффективности их применения.

Испытание конструкции роторно-вихревого агрегата по показателям надежности и работоспособности в экстремальных режимах эксплуатации было проведено в составе опытно - промышленного комплекса по переработке железорудных концентратов Лисаковского горно-обогатительного комбината (ТОО «Оркен», Республика Казахстан). Комплекс предназначался для процесса обезфосфоривания гравитационно-магнитного железного концентрата крупностью 1,6 – 0,16 мм и включал высокотемпературный обжиг концентрата с целью удаления гидратной влаги (до 12%). Конечное содержание в готовом продукте влаги не более 0,3%.

Установка с реактором роторно-вихревого типа эксплуатировалась в непрерывном режиме в течение четырех месяцев, производительность ее достигала 100 кг/час. Удельный расход природного газа составил 44 м3/т сырого концентрата. Температура обжига материала 900°С. Непрерывная продолжительная эксплуатация показала эффективность ее работы: высокую скорость нагрева материала и удельную производительность, превышающую показатели вращающихся печей. Агрегат легко управляется по тепловому и температурным режимам, конструкция установки герметична, обеспечивается необходимый режим горения топлива, пылевынос из агрегата составил 0,3% от массы исходного материала.

С использованием данных экспериментальных исследований и результатов расчета конструктивных и режимных параметров разработаны и внедрены высокоэффективные установки для получения железосодержащего металлургического сырья.

Для условий ОАО «Синарский трубный завод» разработан технологический регламент установки производительностью 600 кг/ч окалины с содержанием масла до 5% и содержанием влаги до 20%. При этом применена разработанная оригинальная технологическая схема (рисунок 7).

Ее особенностью является использование одного агрегата - циклонной печи как для сжигания природного газа, поступающего на нагрев материала и возгонку масла, так и для сжигания возгонов масла. Для этой цели из реактора установки отбираются отходящие газы, содержащие продукты возгонки масла и направляются с помощью тягодутьевого устройства в циклонную печь, где сжигаются горючие компоненты. Дымовые газы охлаждаются в рекуператоре для нагрева воздуха на горение, котле-утилизаторе для получения пара и очищаются в системе мокрой газоочистки.

Установка для переработки замасленной прокатной окалины ОАО «Син ТЗ» г. Каменск-Уральский введена в эксплуатацию в 2009г. После переработки в ней окалина с высоким содержанием железа используется в доменной и агломерационной шихтах с целью обогащения их железом и экономии железной руды.

Проведенные лабораторные исследования спекания шихты с добавкой в нее до 16% обработанной прокатной окалины показали, что массовая доля железа в агломерате возрастает на 1,3%, механическая прочность при этом уменьшается незначительно.

7 Топливо Сжатый воздух Воздух Теплоноситель Воздух 1– вентилятор;

2 – трубчатый рекуператор;

3 – пылевой циклон;

4 – котел – утилизатор;

5 – мокрая газоочистка;

6 – дымосос;

7 – дымовая труба;

8 – вентилятор;

9 – горелка;

10 – эжекторная установка;

11 – циклонная печь;

12 – пиролизный циклон;

13 – загрузочный бункер;

14 – реактор;

15 – реактор – охладитель;

16 –разгрузочная емкость Рисунок 7 – Технологическая схема установки для переработки замасленной прокатной окалины В 2008 г. введена в эксплуатацию аналогичная установка для переработки замасленной чугунной стружки с содержанием масла 2,9%, с содержанием влаги 5% производительностью 2000 кг/ч для ООО «Спецсплав М», г. Лысьва.

Брикеты, полученные из обработанной чугунной стружки имеют плотность 5200 - 5780 кг/м, что позволяет использовать их в качестве сырья для переработки в металлургическом переделе.

Основные показатели работы установок с роторно-вихревыми агрегатами, внедренных на различных предприятиях приведены в таблице 4.

Конечное содержание в готовом продукте масел не более 0,5%.

Таблица 4 - Показатели работы роторно-вихревых агрегатов Предприятие Параметры ОАО «СинТЗ» ООО «Спецсплав-М» Перерабатываемые материалы Прокатная Чугунная окалина стружка Содержание масла, m, % 5 2, Содержание влаги, w, % 20 Температура нагрева 500 материала, tм, С Габариты: длина, L, мм 3600 диаметр (в свету), D, мм 850 Производительность по 600 исходному, G, кг/ч Удельная производительность, 0,32 1, g, т/м · ч Химический состав готового продукта Fe (общее) 64 – 67 76 - С - 3,5 - 3, SiО2 1,3 – 2,4 1,4 - 2, Mn - 0,5 – 1, P 0,08 – 0,3 0, Содержание масла конечное, % 0,5 0, Экономическая и экологическая оценка эффективности технологии переработки железосодержащих техногенных материалов приведена на примере замасленных прокатной окалины и стружки чугуна.

Эффективность применения разработанной технологии переработки замасленной прокатной окалины определяется прибылью от продажи обезмасленной окалины как сырья для металлургического производства, с одной стороны, и сокращением ущерба, наносимого окружающей среде и, следовательно, уменьшением выплат за размещение в отвалах замасленной окалины.

На установке для утилизации маслосодержащих материалов, введенной в эксплуатацию в 2009г. на ОАО «Син ТЗ», за счет переработки 3500 т/год замасленной окалины образуется около 2625 т/год продукта со средним по массе содержанием железа до 66 %. Удельные текущие затраты составят рублей на 1 тонну прокаленной окалины. Удельное сокращение платы за выбросы составит 730 руб/т. При размере капитальных затрат 12,0 млн. руб.

ежегодная валовая прибыль составит 6,18 млн. руб. при производительности 2625 т окалины в год. Срок окупаемости капитальных вложений составит около 2 лет. На установке для переработки замасленной чугунной стружки образуется 13815 т/год чугунной стружки со средним по массе содержанием железа 73%. При этом ежегодная валовая прибыль составит 11,2 млн. руб., а срок окупаемости капитальных вложений составит 0,9 года.

Выводы 1. Предложено решение актуальной задачи по промышленному получению железосодержащего металлургического сырья из техногенных отходов на созданной оригинальной установке.

2. Экспериментальными исследованиями установлены закономерности теплообменных процессов, представленные в виде обобщенных зависимостей для определения коэффициентов теплоотдачи, расчета времени обработки дисперсного материала в реакторе и расхода топлива на проведение процесса тепловой обработки.

3. Установлено, что полное обезмасливание материала, независимо от его вида, обеспечивается в процессе нагрева до 500 °С. Для обеспечения процесса пиролиза масла содержание кислорода в теплоносителе должно быть близким к нулю.

4. Разработаны тепловая схема, конструкция промышленного агрегата и внедрены тепловые режимы его работы с использованием подогрева воздуха, тепла от сжигания масел, которая позволяет существенно уменьшить расход топлива на процесс тепловой обработки железосодержащих техногенных материалов.

5. Промышленные исследования показали, что удельная объемная производительность роторно-вихревого агрегата составляет 0,32 – 1,0 т/м3·ч, что превышает показатели вращающихся печей в 10-15 раз.

6. Результаты экспериментальных и теоретических исследований эффективно реализованы в агрегате роторно-вихревого типа, обладающего существенными преимуществами по экономическим и экологическим показателям существующих аналогов.

7. На ОАО «Синарский трубный завод» и ООО «Спецсплав-М» запущены и эксплуатируются установки по переработке замасленных прокатной окалины и чугунной стружки. Полученные железосодержащие материалы являются качественным сырьем для шихты, используемой в доменном и сталеплавильном переделах.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК 1. Жуков Ю.С. Применение высокопроизводительных циклонных агрегатов для термообработки дисперсных материалов/ Жуков Ю.С., Коршунова Н.Г., Подковыркин Е.Г, [и др.]. // Сталь. 2000. № 3. С. 84 – 86.

2. Жуков Ю.С. Установка для огневого обезвреживания промышленных отходов/ Жуков Ю.С., Коршунова Н.Г., Подковыркин Е.Г., [и др.]. // Сталь.

2005. № 3. С. 117 - 118.

3. Жуков Ю.С. Разработка и создание циклонного агрегата для термообработки дисперсных материалов/ Жуков Ю.С., Коршунова Н.Г., Подковыркин Е.Г., Баков А.В. // Сталь. 2005. № 3. С. 113 - 114.

4. Подковыркин Е.Г. Агрегат для тепловой обработки дисперсных материалов и его промышленная реализация / Подковыркин Е.Г., Жуков Ю.С., Коршунова Н.Г., Баков А.В. Советкин В.Л. // Сталь. 2010. № 3. С. 27 – 29.

5. Подковыркин Е.Г. Опыт эксплуатации промышленных установок огневого обезвреживания железосодержащих техногенных материалов / Подковыркин Е.Г., Жуков Ю.С., Коршунова Н.Г., [и др.]. // Сталь. 2010. №3. С.

115 – 117.

2. Авторские свидетельства и патенты 6. Способ сушки высоковлажных пастообразных материалов и устройство для его осуществления: патент 2229664 Российская Федерация, МПК7 F26B3/10, F26B11/14 / Жуков Ю.С., Евстюгин С.Н., Коршунова Н.Г., Шевченко В.М., Подковыркин Е.Г., Усольцев Д.Ю.;

патентообладатель ООО НПВП «ТОРЭКС-ТЕРМОЦИКЛОН» - № 2002123531/ 062002123531/06;

заявл.

03.09.2002;

опубл. 27.05. 7. Способ разделения пастообразных водомаслоокалиносодержащих отходов: патент 2186296 Российская Федерация, МПК7 F23G7/00, F23G7/05. / Берсенев А.А., Богатов А.А., Жуков Ю.С., Коршунова Н.Г., Кузнецов В.К., Логиновских О.Г., Подковыркин Е.Г., Стукова Т.А.: патентообладатель ООО НПВП «ТОРЭКС-ТЕРМОЦИКЛОН» - № 99124521/03;

заявл. 23.11.1999;

опубл. 27.07.2002.

8. Способ сушки сыпучих материалов в устройстве с пересыпным слоем:

патент 2319087 Российская Федерация, МПК F26B 3/10 (2006.01) / Жуков Ю.С., Коршунова Н.Г., Баков А.В., Подковыркин Е.Г.;

заявитель и патентообладатель ОАО «ВНИИМТ» – № 2006128518/06;

заявл. 04.08.2006;

опубл. 10.03.2008.

3. Доклады в сборниках научных трудов конференций 9. Жуков Ю.С. Универсальная огнетехническая установка для переработки промышленных отходов/ Жуков Ю.С., Винтовкин А.А., Подковыркин Е.Г.,[и др.] // Экологические проблемы промышленных регионов: тезисы конференции «Уралэкология-техноген 99». - Екатеринбург, 1999.,С. 160.

10. Подковыркин Е.Г. Универсальная установка для огневого обезвреживания нефтесодержащих промышленных отходов / Подковыркин Е.Г., Жуков Ю.С., Винтовкин А.А., Советкин В.Л. // Топливно металлургический комплекс: труды международной научно-практической конференции. - Екатеринбург: АИН им. А.М. Прохорова, 2007, т. 4 ч. II, С.

156-160.

11. Подковыркин Е.Г. Разработка агрегата для интенсивной сушки и обжига мелкодисперсных материалов/ Подковыркин Е.Г., Жуков Ю.С., Коршунова Н.Г., Баков А.В., Советкин В.Л. // Топливно-металлургический комплекс: труды международной научно-практической конференции. Екатеринбург: АИН им. А.М. Прохорова, 2007, т. 4 ч. II, С. 161-165.

12. Дружинин Г.М. Огневое обезвреживание горючесодержащих отходов – как один из способов снижения энергоемкости продукции / Дружинин Г.М., Жуков Ю.С., Подковыркин Е.Г. // Пече-трубостроение: тепловые режимы, конструкции, автоматизация и экология: труды II Международного конгресса.

- Екатеринбург, «Инженерная мысль», 2008. С. 84-90.

13. Подковыркин Е.Г. Подготовка железосодержащих отходов к металлургическому переделу / Подковыркин Е.Г., Советкин В.Л., Жуков Ю.С.

// Труды международной конференции «Проблемы экологии и рационального природопользования стран АТЭС и пути их решения».- Москва, НИТУ «МИСиС», 2010, С. 74 -78.