автореферат диссертации по металлургии, 05.16.07, диссертация на тему:Исследование характеристик и эффективности применения в доменной плавке композитных жидких топлив на основе отработанных смазочных материалов и подлежащих утилизации взрывчатых веществ и порохов

На правах рукописи

ОЛЕЙНИКОВ Дмитрий Владиславович

«ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ В ДОМЕННОЙ ПЛАВКЕ КОМПОЗИТНЫХ ЖИДКИХ ТОПЛИВ НА ОСНОВЕ ОТРАБОТАННЫХ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПОДЛЕЖАЩИХ УТИЛИЗАЦИИ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ И ПОРОХОВ»

Специальность 05.16.07 Металлургия техногенных и вторичных

ресурсов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2003

Работа выполнена на кафедре руднотермических процессов Московского Государственного института стали и сплавов (Технологического университета) и в НПО «Гидротрубопровод»

Научный руководитель:

Кандидат технических наук, профессор Курунов И.Ф.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Шульц Л.А. Кандидат технических наук Лазуткин А.Е.

Ведущее предприятие:

ОАО «Липецкий металлургический завод «Свободный сокол»

Защита диссертации состоится 18 декабря 2003 года в 1022 часов (аудитория № 305) на заседании диссертационного совета Д.212.132.02 при Московском Государственном институте стали и сплавов (Технологическом университете) по адресу: 119049, Москва, Ленинский проспект, д. 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Государственного института стали и сплавов (Технологического университета)

Автореферат разослан: $ ноября 2003 года Справки по телефону (095) 230-4526

Ученый секретарь диссертационного совета, / //(У доктор технических наук, профессору^ Семин А.Е.

2ооЗ-Д

2о 448 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие мировой цивилизации в XX веке характеризовалось быстрым ростом энергетики и всех отраслей промышленности и происходило в условиях все более заметного истощения природных ресурсов, загрязнения окружающей среды, накопления промышленных и бытовых отходов и создания возрастающих запасов оружия. Все это, а также изменение геополитической обстановки в мире, 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, рационального использования природных ресурсов и сохранения биологического разнообразия природных экосистем.

Концепция устойчивого развития имеет важное значение для промышленных и энергетических предприятий России, где за десятилетия экстенсивного роста промышленного потенциала происходило сокращение природных сырьевых и энергетических ресурсов, образовались значительные техногенные месторождения металлургического сырья и сформировался источник техногенных энергоресурсов в виде отходов нефтепродуктов, мощность которого продолжает увеличиваться, а применяемые технологии их утилизации не отвечают критерию экоэффективности. Кроме того, в стране довольно остро встала проблема утилизации накопленных запасов элементов вооружений, исчерпавших срок хранения или подлежащих уничтожению.

Актуальность работы определяется необходимостью создания безопасных технологий утилизации токсичных отходов нефтепродуктов и списанных элементов вооружений, позволяющих эффективно перерабатывать большие объемы этих материалов, не нанося вред окружающей среде.

Цель работы. Целью данной диссертационной работы является разработка основ технологии рециклинга содержащих токсичные вещества отработанных смазочных материалов и технологии безопасной утилизации исчерпавших срок хранения взрывчатых веществ и порохов.

Научная новизна. Предложена принципиально новая технология утилизации взр^вданодциюоДОПД* и порохов и

библиотека СПе«Р^й/о з

отработанных смазочных материалов путем вдувания их в составе композитных жидких топлив в доменные печи.

Впервые исследованы структурно-реологические

характеристики водоугольного топлива с артиллерийским порохом в качестве углеводородного наполнителя. Найдены эмпирические зависимости динамического напряжения сдвига и структурной вязкости такого топлива от изменения содержания дисперсной фазы и количественного соотношения порох-уголь в интервалах 45-7-56% и Он-25% соответственно.

Разработана методика расчета состава и температуры водоугольного топлива с добавками взрывчатых веществ и порохов при компьютерном моделировании доменной плавки.

Путем компьютерного моделирования впервые получены показатели доменного процесса с вдуванием отработанных смазочных материалов и ВВ и порохов в составе композитных жидких топлив и коэффициенты замены кокса этими топливами.

Разработана методика расчета коэффициентов замены кокса вдуваемыми в горн доменной печи газообразными, жидкими и твердыми материалами.

Практическая ценность. Практическим результатом работы являются:

■ разработка основ эффективной взрыво-, пожаро- и экологически безопасной технологии утилизации отработанных смазочных материалов и взрывчатых веществ и порохов, исчерпавших срок хранения, путем их использования в составе композитных жидких топлив для вдувания в доменные печи;

■ определение реологических характеристик жидкого топлива с добавками артиллерийского пороха, необходимых для разработки техники и технологии вдувания этого топлива в фурмы доменных печей;

■ разработка методики априорной оценки эффективности применения в доменной плавке различных вдуваемых материалов без компьютерного моделирования и опытных плавок.

Достоверность полученных результатов и выводов обусловлена использованием сертифицированной установки для исследования реологических характеристик жидких сред, использованием проверенных измерительных приборов, применением

для компьютерного моделирования адекватной математической модели доменного процесса.

Апробация и публикация работы. По материалам диссертации опубликовано 5 статей. Отдельные положения и результаты данной работы опубликованы в трудах 62-й Международной конференции по металлургии чугуна (США. Индиана. Индианаполис. 2003г.).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и выводов, списка использованных литературных источников из 95 наименований. Общий объем работы составляет 97 стр., в том числе 36 таблиц и 11 рисунков.

Автор выражает благодарность д.т.н. Делягину Г.Н. и к.т.н. Ерохину С.Ф. за ценные советы и помощь при выполнении данной работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. Анализ способов утилизации отработанных смазочных материалов и элементов вооружений, подлежащих уничтожению

В диссертационной работе приведен аналитический обзор литературы, в котором отображены данные о ежегодных объемах образования отработанных смазочных материалов (ОСМ), их химическом составе и свойствах, определяющих их экологическую опасность. Показано, что в настоящее время ОСМ являются одними из наиболее распространенных техногенных отходов, вопрос утилизации которых остается до сих пор нерешенным. При регенерации ОСМ с использованием лучших методов выход годного масла составляет 8090%, его качество уступает качеству свежего, и при этом образуются значительные объемы отходов регенерации. Утилизация ОСМ путем сжигания в качестве топлива приводит к значительным выбросам в атмосферу БОг, N0*, полициклических аренов, диоксинов, тяжелых металлов.

В обзоре приведены данные об объемах накопившихся в стране списанных элементов вооружений, краткая классификация взрывчатых веществ (ВВ) и возможные пути их утилизации после окончания срока годности. Применяемые методы утилизации малопроизводительны и не в состоянии переработать большие объемы высвобождаемых высокоэнергетических материалов. Это обстоятельство наряду с отрицательной рентабельностью этих методов привело к тому, что значительное количество ВВ и порохов до сих пор уничтожается. Это ведет к загрязнению окружающей среды оксидами азота и углерода, диоксинами, парами ртути и свинца, а также большим материальным потерям.

На основе анализа литературных данных сделан вывод о целесообразности разработки принципиально новой технологии утилизации отработанных смазочных материалов, а также ВВ и порохов, исчерпавших срок хранения. В качестве такой технологии предлагается способ утилизации этих материалов путем вдувания в составе композитных жидких топлив в доменные печи.

2. Экспериментальные исследования свойств водоугольного топлива с добавками артиллерийского пороха

Экспериментальные исследования реологических свойств топлива. Для оценки возможности получения водоугольного топлива на основе угля и пороха с необходимыми для подачи и вдувания в

доменные печи свойствами были проведены экспериментальные исследования влияния присадки артиллерийского пороха на теплотехнические и реологические свойства водоугольного топлива ЭКОВУТ, технология производства которого разработана в НПО «Гидротрубопровод» и реализуется на ряде российских предприятий.

В процессе экспериментальных исследований решались следующие задачи:

■ получение в лабораторных условиях стабильных высококонцентрированных дисперсных систем на основе угля и пороха;

■ установление закономерностей изменения структурно-реологических свойств таких дисперсных систем в зависимости от изменения содержания дисперсной фазы и количественного соотношения уголь-порох;

■ определение количественных характеристик нового вида водо-дисперсного топлива на основе угля и артиллерийского пороха (ЭКОВУТ-АП);

■ моделирование и анализ процесса горения ЭКОВУТ-АП. Эксперименты проведены в лабораториях НПО

«Гидротрубопровод». Сравнительные характеристики компонентов топлива приведены в табл. 1. Основными отличительными свойствами пороха в сравнении с углем являются более высокая плотность и пониженная теплота сгорания, обусловленная меньшим содержанием углерода.

Таблица 1. Физико-химические свойства угля и артиллерийского пороха, используемых при приготовлении топлива __

Уголь Порох

Марка д .

Влажность на рабочее состояние \уг, % 11,6 1,75

Зольность на сухое состояние Ал, % 15,3 0,00

Выход летучих на сухое беззольное состояние Уёа^ % 42,5 -

Действительная плотность, кг/м3 1400 1600

Теплота сгорания на сухое беззольное состояние О,"1*', МДж/кг 31,82 9,21

Элементный состав на сухое беззольное состояние: - .

Углерод С"", % 79,1 26,7

Водород Н"4', % 5,3 6,6

Азот Ы42', % 2,2 2,9

Сера Б"", % 0,2 0,2

Кислород (V", % 13,2 63,6

Низшая теплота сгорания ЭКОВУТ определяется как сумма количества тепла, выделяемого каждым из углеводородных компонентов ЭКОВУТ, за вычетом тепла затраченного на испарение воды:

где <2'. - низшая теплота сгорания ЭКОВУТ, МДж/кг, ({^О/ - низшая теплота сгорания углеводородного компонента твердой фазы на сухое беззольное состояние, МДж/кг, А? - зольность углеводородного

компонента твердой фазы на сухое состояние, %, с^ - содержание в топливе углеводородного компонента, %, п - количество углеводородных компонентов в твердой фазе, у/ - влажность водоугольного топлива, %, 2,442 - потери тепла на испарение влаги, входящей в состав топлива, МДж/кг.

Учитывая взрывоопасность артиллерийского пороха, влажность топлива приняли постоянной и равной 45%. Зольность угля варьировали при неизменных характеристиках органики. Рассчитанная по формуле (1) теплота сгорания ЭКОВУТ-АП представлена на рис. 1.

Как видно, энергетический потенциал ЭКОВУТ-АП падает с увеличением доли пороха в твердой фазе. В качестве предельного значения низшей теплоты сгорания ЭКОВУТ-АП приняли (£{= 11,5

МДж/кг. Эта величина достигается при определенном соотношении порох-уголь (г), которое, в свою очередь, зависит от зольности угля. Чем ниже зольность угля, тем в большей степени" твердая фаза ЭКОВУТ-АП может быть насыщена порохом. Снижение зольности Ай с 25 до 10 % повышает г с 0,075 до 0,420. Это эквивалентно более чем 4-х кратному увеличению концентрации пороха в ЭКОВУТ-АП.

е; =

'юо - А) 100

Соотношение массы пороха и угля

Рис. 1. Расчетная теплота сгорания ЭКОВУТ-АП в зависимости от содержания пороха и зольности угля

Экспериментальную отработку топливных композиций проводили на модельных композициях ЭКОВУТ-АП с различным содержанием твердой фазы и соотношением уголь-порох, выполняя полный комплекс испытаний, включающий определение структурно-реологических свойств, физико-механических характеристик и стабильности. Каждый опыт воспроизводился не менее трех раз до достижения согласующихся результатов.

При подготовке проб ЭКОВУТ-АП в концентрированную водоугольную дисперсную систему известной концентрации, полученную мокрым измельчением в шаровой мельнице, вводили диспергированный порох, после чего проба тщательно гомогенизировалась в лопастном смесителе. В силу отличия прочностных характеристик пороха и угля, измельчение этих веществ проводили раздельно. Сначала гранулы пороха (0 5,5 х 12 мм) измельчали до размера 1-2 мм, затем диспергировали в аппарате жернового типа и классифицировали по размеру -0,25 мм. Подрешетный продукт (частицы размером менее 0,25 мм) использовали далее в экспериментах.

Грансостав твердой фазы топлива определяли на ультразвуковом рассеивающем приборе «FRITS СН» мокрым разделением на ситах с размером ячеек от 5 до 250 мкм с последующим расчетом содержания частиц каждой фракции. Во всех экспериментах гранулометрический состав компонентов твердой фазы топлива (угля и пороха) сохранялся неизменным (рис. 2).

0-5 5-10 10-15 15-30 30-50 50-71 71-100 100- 160- 200160 200 250

Фракция, мкм

Рис. 2. Гранулометрический состав угольной и пороховой составляющих ЭКОВУТ-АП

Испытания образцов модельных проб для получения их реологических кривых проводили на ротационном вискозиметре «КНЕОТЕ8Т-2» с коаксиальными гладкими цилиндрами, работающем по методу постоянной скорости сдвига при температуре 30°С. Диапазон изменения скоростей деформации составлял от 0,5 до 121,5 с"1. Точность измерения вязкости - 3 %.

На первом этапе исследовались пробы ЭКОВУТ без пороха с концентрацией твердой фазы от 45 до 56 %. Эксперименты показали, что во всем диапазоне изменения содержания твердой фазы топливо проявляет неньютоновские вязкопластичные свойства с нестационарной реологией. Для аналитического описания поведения таких сред в условиях установившегося деформационного состояния использовали двухпараметрическую реологическую модель Бингама, имеющую вид:

г=т0 + /^тр(ёиМу), где г - напряжение сдвига, т0 - начальное напряжение сдвига, /Лстр - структурная вязкость, (йи/йу) - скорость сдвига (деформации).

Обработка данных реометрических испытаний позволила определить закономерности начального напряжения сдвига и структурной вязкости в зависимости от содержания твердой фазы в топливе (рис. 3).

? 14 «

С

^ 12

0

т-X

¡2 10 V?

£ 8

я I-и X

£ 6 V

1

а

Е 4

о с о

г г

0

0,40 0,42 0,44 0,46 0,48 0,50 0,52 0,54 0,56 0,58 0,60 Концентрация твердой фазы С1^

Рис. 3. Экспериментальные зависимости начального напряжения сдвига и структурной вязкости от концентрации твердой фазы в топливе ЭКОВУТ

Как следует из рис. 3 все модельные топлива ЭКОВУТ имеют общие реологические свойства.

На следующем этапе исследований в модельные композиции ЭКОВУТ во всем диапазоне концентраций угля вводили порох в различных количествах. Эксперименты показали, что введение пороха в водоугольную топливную систему приводит к общему снижению текучести среды (рис. 4).

50

С 40

2 5 п

5

„ 30 х х

V

1 о. 5 20 X

ю о

0 20 40 60 80 100 120 140

Скорость сдвига, с"1

Рис. 4. Экспериментальные зависимости напряжения сдвига от скорости сдвига для различных содержаний твердой фазы и соотношения порох-уголь в топливе

Независимо от того, применяется или нет химическая присадка, при всех значениях начальной концентрации угля в топливе наблюдали повышение значений динамического напряжения сдвига и структурной вязкости с увеличением содержания пороха г (рис. 5 и 6). Темп прироста динамического напряжения сдвига практически не зависит от начальной концентрации угля, тогда как скорость изменения структурной вязкости снижается с ростом начальной концентрации. С достаточной для инженерных расчетов точностью это изменение производной ¿1рстр1<12 может быть описано линейной

эмпирической зависимостью т(Сгу) = 74,4-128,5 -Су, в которой С'у -

начальная концентрация угля в топливе.

I

0.20

0,25

0.10 0,15

Массово* соотноимни* пороха и угля, г

Рис. 5. Относительное изменение динамического напряжения сдвига в зависимости от содержания пороха и начальной концентрации угля в

ЭКОВУТ-АП

I

0,10 0,15 0.20 025

Массово* соотношение пороха и угля, г

Рис. 6. Относительное изменение структурной вязкости в зависимости от содержания пороха и начальной концентрации угля в ЭКОВУТ-АП

Обработка опытных данных позволила определить коэффициенты уравнений и зависимости реологических констант ЭКОВУТ-АП от начальной концентрации угля в топливе в диапазоне изменения величины г от 0 до 0,25:

где г • и Тд - динамическое напряжение сдвига ЭКОВУТ-АП

и ЭКОВУТ, Р'стр и Мшр - структурная вязкость ЭКОВУТ-АП и

ЭКОВУТ, к - коэффициент повышения динамического напряжения сдвига к = 8,9, т(С'у) - коэффициент повышения структурной вязкости.

Зависимости (2) и (3) могут использоваться в расчетах основных характеристик ЭКОВУТ-АП. Точность определения реологических констант с помощь полученных зависимостей составляет порядка 5-10 %.

Седиментационную стабильность образцов ЭКОВУТ-АП определяли путем контроля распределения твердой фазы по вертикальному сечению столба покоящегося топлива после его замораживания.

Во всем диапазоне изменения концентрации угля и соотношения порох-уголь все пробы показали высокую степень устойчивости к седиментации в течение 5 суток.

На основе экспериментального материала рассчитали композиции ЭКОВУТ-АП, удовлетворяющие граничным условиям по теплоте сгорания (11,5 МДж) и эффективной вязкости при

скорости сдвига 100 с"1 = 0,65 Па-с). В результате получили более 30 композиций ЭКОВУТ-АП, соответствующих исходным требованиям. Приняли, что целесообразным является получение топлива с максимальным энергетическим потенциалом при соотношении содержания пороха и угля в твердой фазе равном 0,20 (83,3 % угля и 16,7 % пороха).

Исследования структурно-реологических свойств выбранной композиции показали, что измеренные значения ее реологических характеристик с точностью 5 % (для динамического напряжения сдвига) и 7 % (для структурной вязкости) совпали с расчетными значениями. Седиментационная стабильность этого топлива полностью соответствовала номинальным показателям.

гд=(1 + к-г)-тд

/£р=(1+»»(с;) ■*)•/'«

стр

(2) (3)

Исследования по сжиганию ЭКОВУТ-АП в лабораторных условиях. В лабораторной муфельной печи с применением визуального метода наблюдения за поведением единичной капли (размером 1,0-2,5 мм) топлива изучали особенности поведения в высокотемпературной среде капель ЭКОВУТ-АП и ЭКОВУТ. Опыты повторяли в среднем по 7 раз. Установлены следующие закономерности горения капель ЭКОВУТ и ЭКОВУТ-АП:

1. Горение капли ЭКОВУТ протекает без воспламенения летучих веществ. Горение капель ЭКОВУТ-АП сопровождается появлением пламени. Цвет и вид пламени полностью совпадает с видом пламени, образующегося при сжигании гранул пороха.

2. Горение ЭКОВУТ-АП наступает при более низкой температуре и протекает в 2 раза интенсивнее, чем горение ЭКОВУТ.

3. Горение топлива с образованием пламени при прочих равных условиях свойственно более крупным каплям. Это объясняется более высокой вероятностью попадания пороха в крупные капли в силу того, что частицы пороха крупнее угольных.

3. Разработка основ технологии производства водоугольного топлива с добавками артиллерийского пороха

Исходя из опыта производства ЭКОВУТ и свойств пороха сформулированы следующие основные особенности технологии получения топлива ЭКОВУТ-АП:

■ раздельный способ измельчения угля и пороха до

необходимой крупности;

■ реализация всех процессов измельчения пороха в водной

среде.

Технологическая схема производства водоугольного топлива ЭКОВУТ-АП ориентирована по принципу вертикального построения технологического процесса и включает:

" узел приема, аккумулирования и подачи угля и пороха;

■ узел измельчения, классификации и сгущения;

■ узел приготовления ЭКОВУТ-АП.

Предложенная технология обеспечивает получение топлива ЭКОВУТ-АП с паспортными характеристиками, малоэнергоемка, экологически и пожаробезопасна, допускает полную автоматизацию.

4. Компьютерное моделирование доменной плавки с вдуванием водоугольных топлив, содержащих ВВ и пороха, и отработанных смазочных материалов

Для моделирования доменного процесса использовали математическую модель, разработанную в МГИСиС Куруновым И.Ф. и Ященко С.Б. Основу модели составляют уравнения материального баланса, уравнение теплового баланса, уравнение газодинамики. Расход кокса на выплавку чугуна определяется в модели путем совместного решения уравнений теплового баланса и баланса газообразных восстановителей. Производительность печи рассчитывается в зависимости от выхода газов на тонну чугуна. Модель включает блок ее адаптации к условиям и особенностям доменной печи, для которой проводится моделирование.

Модель позволяет адекватно оценивать показатели доменной плавки при использовании любых шихтовых материалов, коксов, вдуваемых топлив, восстановительных газов или других вдуваемых газообразных, жидких или твердых материалов.

Методика расчета состава и температуры водоугольных топлив, содержащих ВВ и пороха', при компьютерном моделировании доменной плавки. Большинство ВВ и порохов представляют собой органические соединения, состоящие из атомов углерода, водорода, кислорода и азота. В зависимости от содержания кислорода, которое определяет количество выделяемого при сгорании тепла, состав и температуру образующихся продуктов сгорания, ВВ условно делят на 3 группы:

1. ВВ с количеством кислорода, достаточным для полного сгорания горючих элементов; ,

2. ВВ с количеством кислорода, недостаточным для полного сгорания, но достаточным для полного газообразования;

3. ВВ с количеством кислорода, недостаточным для полного газообразования.

Компьютерное моделирование проводили для наиболее распространенных ВВ: тротила и гексогена, а также для нитроцеллюлозы, входящей в состав артиллерийского пороха.

Формат исходных данных модели исключает возможность введения сложных химических соединений, каковыми являются ВВ, в связи с чем утилизируемые ВВ были представлены смесью продуктов сгорания, нагретых до температуры (Ту) взрывного превращения (табл. 2).

Таблица 2. Состав и температура продуктов сгорания ВВ

Наименование, формула, энтальпия образования (кДж/кг), коэф. избытка кислорода н„ моль н,0. МОЛЬ N2, моль СО, моль со„ моль сн* моль Ств, моль о„ МОЛЬ ТУ, К

Тротил С7Н,0б141 (-262; 0,364) 10,36 0,18 6,61 26,55 0,09 0,25 4,15 2668

Гексоген СзНвО«^ (+322; 0,667) 3,54 9,62 13,46 10,12 3,37 „ 4239

Состав исходного водоугольного топлива из углей марки «Д» Кузнецкого бассейна приведен в табл. 3.

Н2 Н20 N2 СО СО, Ств в А

2,4 46,5 1,0 7,01 2,71 32,1 0,09 8,19

Составы вдуваемой смеси с добавками от 5 до 50% ВВ рассчитывали для содержания воды в топливе 46,5%. Массовая доля каждого компонента вдуваемого топлива определялась по формуле:

100-%Н20-%ВВ +Ш,/аХв

100-%#20 100

(4)

где %НгО - содержание воды в топливной смеси; %ВВ -содержание ВВ в топливной смеси (5-ь50%); %ХВут - содержание компонента в исходном ВУТ, %масс.; %ХВв - содержание компонента во ВВ, %масс.

Расчет теплоты сгорания ВВ (СМ для определения температуры вдуваемой топливной смеси проводили в соответствии с основным законом термохимии Гесса по алгебраической разности между теплотой образования продуктов сгорания и теплотой образования взрывчатого вещества.

Температуру вдуваемой смеси определяли по формуле:

Свв ■ %ВВ -Ту +С1П0 ■ %Н20 • 298 + 298 • £ С, ■ %Х, Т = -

Свв ■ %ВВ + Снг0- %НгО + £ С, ■ %Х,

(5)

где

с ^Яг.

1" - теплоемкость. ВВ, кДж/кг-К; СНго> С;

теплоемкости воды и 1-го компонента вдуваемой смеси, кДж/кг-К; %ВВ - содержание ВВ в топливной смеси (5-5-50%); Ту - температура горения ВВ, К (табл. 2); %Н20 - содержание воды в топливной смеси (46,5%); 298 - температура компонентов смеси, К; %Х; - содержание ь го компонента в топливной смеси, %масс.

Результаты расчетов представлены в табл. 4.

% ВВ в смеси 5 10 15 20 25 30 40 50

Тротил 71 118 165 213 262 311 411 515

Гексоген 113 202 292 382 473 565 750 938

В связи с отсутствием справочных данных по составу и температуре продуктов сгорания артиллерийского пороха выполнили соответствующие расчеты.

Основная масса артиллерийских порохов - это органические вещества на основе нитроцеллюлозы (НЦ) обладающие отрицательным кислородным балансом, что приводит к образованию продуктов неполного окисления горючих элементов.

Для определения температуры горения чистой НЦ использовали формулу, связывающую Гу со степенью нитрации п в %масс.: Ту,К = 483,2-п-3008-

Расчет состава продуктов горения проводили на примере восьмиазотной (~11,11%масс. Ы) нитроцеллюлозы СгЛгОзб^:

С24Нз20збК8 = х-СО + у-С02 + г-Н2 + и-Н20 + 4-^ Для температуры Ту = 483,2 • 11,11 - 3008 = 2360 К получили уравнение горения нитроцеллюлозы:

С24Нз2ОзбК8 = 20,251-СО+3,749-СО2+7,749-Н2+8,25ЬН2О+4-К2

Расчет состава и температуры ВУТ с добавками НЦ проводили аналогично расчету этих величин для ВУТ с тротилом и гексогеном.

Компьютерное моделирование доменной плавки с вдуванием ВВ и порохов в составе ВУТ. Моделирование доменной плавки проводили применительно к условиям работы доменной печи № 3 ОАО «Тулачермет» объемом 2000 м3. В качестве вдуваемого топлива использовали комбинированное водоугольное топливо с добавками 5, 10 и 15% ВВ. 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.

Моделирование плавки с вдуванием ВУТ с тротилом и гексогеном показало, что 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. Полученные путем компьютерного моделирования коэффициенты замены кокса вдуваемыми смесями и ВВ при их гипотетическом вдувании в чистом виде приведены в табл.5.

Таблица 5. Коэффициенты замены кокса чистыми ВВ и ВУТ с добавками 5-15% ВВ, кг/кг_

ВВ КЗ кокса КЗ кокса КЗ кокса КЗ кокса

чистыми ВВ ВУТ с ВУТ с ВУТ с

5%масс. ВВ 10%масс. ВВ 15%масс. ВВ

Тротил 0,45 0,01 -0,01 -0,03

Гексоген 0,34 0,0 -0,04 -0,07

Нитроцеллюлоза 0,15 0,0 -0,03 -0,06

Коэффициент замены кокса комбинированным топливом снижается с увеличением содержания химически связанного кислорода в составе ВВ и, соответственно, с увеличением содержания СОг и Н20 в продуктах горения ВВ. Участвуя в реакции газификации углерода, эти оксиды значительно понижают теоретическую температуру горения и увеличивают расход кокса, что снижает производительность печи.

Несмотря на положительное значение коэффициента замены кокса чистыми ВВ (табл. 5), 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. Так, вдувание ВУТ с 10% ВВ в количестве 100 кг/т в доменную печь объемом 2000 м3 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.

Компьютерное моделирование доменной плавки с вдуванием, отработанных смазочных материалов. Возможность утилизации ОСМ в доменной плавке рассмотрели на примере автомобильных смазочных материалов - отработанных моторных масел (ОММ), проблема утилизации которых в настоящее время особенно остро стоит в крупных городах с большим автопарком. По своим энергетическим характеристикам и составу отработанные моторные масла, не загрязненные водой и используемые для сжигания, близки к технологическим топливам, применяемым в доменной плавке: энергетическому углю, природному газу и мазуту (табл. 6).

Таблица 6. Элементный состав ОММ, угля, природного газа и мазута

Содержание ОММ Энергетический Природный Мазут

%масс. уголь газ

С 82,6 75-80 70-75 83-87

Н 13,5 4-5 22-25 10-12

N 0,38 - 0,5-3,5 -

в 0,95 0,5-1,2 - 1,0-2,5

А 1,09 8-12 - 0,05-0,1

Н,0 2,4 1,5 - -

Преимуществами утилизации ОММ в доменной печи являются:

■ Отсутствие загрязнения атмосферы диоксинами и фуранами.

■ Отсутствие загрязнения атмосферы оксидами азота и серы.

■ Сокращение выбросов в атмосферу большого числа загрязняющих и токсичных веществ, сопровождающих производство кокса.

■ Высокая толерантность доменной печи к качественным характеристикам сжигаемого в ней ОММ в части содержания

1 воды и твердых примесей.

■ Возможность использовать ОММ в качестве обогащающего компонента комплексного водоугольного топлива для доменных печей, включая ВУТ с добавками порохов и ВВ. Компьютерное моделирование доменной плавки

применительно к доменной печи №3 ОАО «Тулачермет» однозначно показывает высокую эффективность утилизации ОММ путем вдувания в воздушные фурмы доменных печей, (табл. 7). Варианты А, Б, В, Г соответствуют содержанию воды в топливе 10, 20, 30 и 40% соответственно.

Таблица 7. Технико-экономические показатели работы доменной печи №3 ОАО «Тулачермет» объемом 2000 м3 с вдуванием ОММ по результатам компьютерного моделирования доменной плавки_

Параметры правки Базовый 100 кг ОММ/т чуг.

А Б В Г

Расход кокса, кг/т 484 399 419 440 460

Расход природного газа, м3/т 31,2 0 0 0 0

Т °Г 1106 1106 1106 1106 1106

Т °С »теоп, 2289 2096 2078 2061 2045

Выход колошникового газа, м3/т 1757 1788 1819 1849 1880

Калорийность колошн. газа, МДж/м3 3,11 3,32 3,35 3,38 3,40

Выход шлака, кг/т 330 323 324 326 328

Основность СаО/БЮз, доли ед. 1,05 1,08 1,07 1,06 1,06

Производительность, т/сутки 3942 4058 4010 3960 3910

Степень прямого восстановления, % 41,1 34,8 33,8 32,8 31,7

Вдувание в доменную печь ОММ в количестве 100 кг/т при полной замене 30 м3 природного газа дополнительно снижает расход кокса. Коэффициенты замены кокса в зависимости от содержания воды приведены в табл. 8.

Таблица 8. Коэффициенты замены кокса ОММ

Содержание воды, % Коэффициенты замены, кг/кг

10 1.1

20 0,9

30 0,69

40 0,49

По сравнению с традиционными видами технологического топлива, вдуваемого в фурмы доменных печей, ОММ при содержании воды в нем более 25-30 % по величине коэффициента замены им кокса уступает мазуту, а также природному газу и углю. По содержанию серы ОММ превосходит мазут и уступает лишь природному газу.

Таким образом, предлагаемая схема утилизации ОММ имеет очевидные преимущества перед существующими схемами (сжигание,

регенерация) по экологическим и экономическим критериям.

\

5. Разработка методики оценки коэффициента замены кокса вдуваемым комбинированным топливом

Для анализа влияния на коэффициенты замены кокса составляющих различных реагентов, вдуваемых в воздушные фурмы доменных печей, проведено компьютерное моделирование доменной плавки с вдуванием этих составляющих применительно к следующим

условиям работы доменной печи полезным объемом 1033 м3: температура дутья - 1146°С, содержание кислорода в дутье - 25,67%, влажность дутья - 8,9 г/м3, давление газа на колошнике - 262 кПа, содержание железа в шихте - 58,67%, доля подготовленного сырья в шихте - 93,26%. Использовали кокс следующего состава, %масс.: Н2=0,4; N2=0,2; СОИ),2; С02=0,2; Ств=87,3; 8=0,5; Ас=11,2.

Степень приближения к равновесию реакции восстановления железа из вюстита смесью СО и Н2 (величину 6) при моделировании изменяли путем варьирования распределения рудной нагрузки по радиусу печи, которое в математической модели связано с 5 эмпирической зависимостью. Получили показатели доменной плавки для трех значений 5: 77,2%, 86,1% и 98,3%.

Сгорание углерода в печи принимали полным. Полученные коэффициенты замены кокса указанного состава различными составляющими вдуваемых в фурмы топлив представлены в табл. 9.

Таблица 9. Коэффициенты замены кокса (КЗ) составляющими топлива, вдуваемого в фурмы для трех значений 5 _

Составляющие топлива КЗ х при 5.% / ДКЗХ 1

98,3 86,1 77,2

С 1,38 1,17 1,12 0,012

СО 0,39 0,18 0,11 0,013

Нг 0,38 0,28 0,20 0,009

са, 1,09 0,80 0,67 0,020

с,нй 1,87 0,15 1,40 0,022

с3н8 2,61 2,26 2,09 0,025

СцНю 3,33 2,94 2,74 0,028

со, -0,16 -0,42 -0,54 -0,006

Н20 -0,49 -0,81 -0,99 -0,024

N2 -0,14 -0,05 -0,12 -0,001

Примечания: дда - изменение коэффициента замены на 1% величины 6, г

(кг/м3)/(%); Х1" процентное содержание /-го компонента во вдуваемом материале, %.

Зависимость коэффициентов замены кокса от эффективности восстановительных процессов в печи объясняется механизмом их формирования, включающего прямую замену углерода кокса углеродом вдуваемого топлива и сокращение затрат тепла на прямое восстановление железа в горне за счет дополнительного косвенного восстановления железа водородом или монооксидом углерода вдуваемого топлива. Если первая составляющая коэффициента

замены кокса лишь косвенно (в основном за счет потерь тепла) и поэтому незначительно зависит от эффективности восстановительных процессов в шахте печи, то вторая сильно зависит от нее.

При вдувании компонентов минеральных материалов КЗГ

г

принимает отрицательные значения, что связано с расходом тепла на быстрый нагрев и расплавление мелкодисперсных частиц вдуваемого реагента в горне. В случае вдувания металлического железа значение КЗ положительно.

Х1

Общим признаком для всех горючих составляющих вдуваемого топлива является увеличение ¡{^ при увеличении

г

эффективности восстановительных процессов в шахте печи.

В минимальной степени зависит от эффективности работы газов в печи коэффициент замены кокса теми компонентами топлив, которые при сгорании на фурмах выделяют максимальное количество тепла на единицу сгорающего углерода.

Для расчета КЗ вдуваемым топливом и минеральными материалами предложено использовать следующую формулу:

(6)

где датах - коэффициент замены кокса г'-тым компонентом Х!

при 8тах; 5тах - максимальное значение степени приближения к равновесию, %; 5факх - фактическое значение степени приближения к равновесию, %.

С помощью этой методики можно количественно оценить влияние на расход кокса в доменной плавке вдуваемого топлива и минеральных материалов с учетом их химического состава и эффективности восстановительных процессов в шахте доменной печи.

Выводы:

1. Анализ существующих технологий переработки отработанных смазочных материалов показал, что они не удовлетворяют требованиям экологической безопасности. Подавляющая часть собираемых ОСМ сжигается в котельных установках с выбросом в атмосферу опаснейших токсинов.

2. Применяемые технологии утилизации взрывчатых веществ и порохов являются малопроизводительными, экологически небезопасными и не обеспечивают утилизации всего объема высвобождаемых высокоэнергетических материалов. Значительная часть порохов сжигается с выделением в атмосферу оксидов азота и парниковых газов.

3. Предложена принципиально новая технология утилизации ВВ и порохов и ОСМ путем вдувания в составе композитных жидких топлив в доменные печи, позволяющая безопасно и эффективно использовать большие объемы этих материалов.

4. Исследованы реологические характеристики водоугольного топлива с добавками артиллерийского пороха при соотношениях порох-уголь от 0 до 0,25. Получены эмпирические зависимости реологических характеристик водоугольного топлива от доли пороха и концентрации твердой фазы в топливе.

5. Разработаны основы технологии производства водоугольного топлива с добавками артиллерийского пороха.

6. Разработана методика расчета состава и температуры водоугольного топлива с добавками взрывчатых веществ и порохов при компьютерном моделировании доменной плавки.

7. Путем компьютерного моделирования получены показатели доменного процесса с вдуванием ВВ и порохов в составе ВУТ. Утилизация этих материалов не оказывает существенного отрицательного влияния на доменный процесс.

8. Показана высокая эффективность вдувания в доменные печи отработанных моторных масел без их обезвоживания. Коэффициенты замены кокса отработанным моторным маслом составляют от 0,7 до 1,1 кг/т при содержании в них воды от 30 до 10 % соответственно.

9. Разработана методика оценки коэффициентов замены кокса вдуваемыми в горн газообразными, жидкими и твердыми материалами, позволяющая производить априорную оценку их энергетической ценности для доменной плавки без математического моделирования.

1. 2.

3.

4.

5.

По теме диссертации сделаны следующие публикации:

О возможности утилизации элементов боеприпасов в доменной плавке. Ю.С. Карабасов, Д.В. Олейников, И.Ф. Курунов, А.И. Истеев. Металлург. - 2001. - № 9. - С.37-38. Отработанные моторные масла - польза и вред. Ю.С. Карабасов, И.Ф. Курунов, А.И. Истеев, Д.В. Олейников. Вторичные материалы. - 2002. - №3.- С.33-36. Used Motor Oils. Source of Environment Contamination or Füel for Blast Furnaces? Y.S. Karabasov, V.S. Lisin, I.F. Kurunov, V.M. Chizhikova, A.I. Isteyev, D.V. Oleinikov. ISS Tech 2003 Conference Proceedings, April 27-30 2003, Indianapolis, Indiana. P.799-803

Оценка коэффициента замены кокса реагентами, вдуваемыми в фурмы доменной печи. И.Ф. Курунов, Д.В. Олейников, Д.Н. Тихонов, М.В. Дубровская. Известия вузов. Черная металлургия. - 2003. - №9. С.11-13.

Исследование свойств ЭКОВУТ с присадками артиллерийского пороха и оценка эффективности его применения в доменной плавке. Г.Н. Делягин, С.Ф. Ерохин, Ю.С. Карабасов, И.Ф. Курунов, А.И. Истеев, Д.В. Олейников. Черная металлургия. Бюллетень института технико-экономических исследований и информации в черной металлургии. - 2003. - №10.

*

Отпечатано в типографии ОАО «Черметинформация» Заказ 314, Тираж 100 экз.

«

f

»

2о 44g

Р2044 8

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ УТИЛИЗАЦИИ ОТРАБОТАННЫХ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ЭЛЕМЕНТОВ ВООРУЖЕНИЙ, ПОДЛЕЖАЩИХ УНИЧТОЖЕНИЮ.

1.1. Оценка экологической опасности отработанных смазочных материалов и анализ способов их утилизации.

1.2. Проблема утилизации списанных боеприпасов и анализ применяемых технологий.

1.3. Доменная печь как агрегат утилизации отходов.

1.4. Характеристика ЭКОВУТ и особенности его сгорания в доменной печи.

1.5. Постановка и обоснование задач исследований.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА С ДОБАВКАМИ АРТИЛЛЕРИЙСКОГО ПОРОХА.

2.1. Экспериментальные исследования реологических свойств топлива.

2.2. Исследования по сжиганию ЭКОВУТ-АП в лабораторных условиях.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ОСНОВ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА

С ДОБАВКАМИ АРТИЛЛЕРИЙСКОГО ПОРОХА.

ГЛАВА 4. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ С ВДУВАНИЕМ ВОДОУГОЛЬНЫХ ТОПЛИВ, СОДЕРЖАЩИХ ВВ И ПОРОХА, И ОТРАБОТАННЫХ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ.

4.1. Методика расчета состава и температуры водоугольных топлив, содержащих ВВ и пороха, при компьютерном моделировании доменной плавки.

4.2. Компьютерное моделирование доменной плавки с вдуванием ВВ и порохов в составе ВУТ

4.3. Компьютерное моделирование доменной плавки с вдуванием отработанных смазочных материалов.

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ КОЭФФИЦИЕНТА ЗАМЕНЫ КОКСА

ВДУВАЕМЫМ КОМБИНИРОВАННЫМ ТОПЛИВОМ.

ВЫВОДЫ.

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 /3/.

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.

1. Анализ существующих технологий переработки отработанных смазочных материалов показал, что они не удовлетворяют требованиям экологической безопасности. Подавляющая часть собираемых ОСМ сжигается в котельных установках с выбросом в атмосферу опаснейщих токсинов.2. Применяемые технологии утилизации взрывчатых веществ и порохов являются малопроизводительными, экологически небезопасными и не обеспечивают утилизации всего объема высвобождаемых высокоэнергетических материалов.Значительная часть порохов сжигается с выделением в атмосферу оксидов азота и парниковых газов.3. Предложена принципиально новая технология утилизации ВВ и порохов и ОСМ путем вдувания в составе композитных жидких топлив в доменные печи, позволяющая безопасно и эффективно использовать большие объемы этих материалов.4. Исследованы реологические характеристики водоугольного топлива с артиллерийским порохом в качестве углеводородного наполнителя. Найдены эмпирические зависимости динамического напряжения сдвига и структурной вязкости такого топлива от изменения содержания дисперсной фазы и количественного соотногпения порох-уголь в интервалах 45-ь56% и Он-25% соответственно. Полученные характеристики подтверждают возможность подачи и вдувания таких топлив в доменные печи.5. Установлены общие закономерности горения капель водоугольного топлива с пороховым наполнителем. Горение такого топлива сопровождается появлением пламени, наступает при более низкой температуре и протекает в 2 раза интенсивнее, чем горение ВУТ без пороха.6. Разработаны основы технологии производства водоугольного топлива с добавками артиллерийского пороха. Технологическая схема производства включает: узел приема, аккумулирования и подачи угля и пороха; узел измельчения, классификации и сгущения; узел приготовления ЭКОВУТ-АП.

7. Разработана методика расчета состава и температуры водоугольного топлива с добавками взрывчатых веществ и порохов при компьютерном моделировании доменной плавки, позволяющая учитывать влияние химически связанного кислорода на температуру и состав продуктов горения ВВ и порохов.8. Путем компьютерного моделирования получены показатели доменного процесса с вдуванием ВВ и пороков в составе БУТ. Утилизация этих материалов не оказывает существенного отрицательного влияния на доменный процесс.9. Показана высокая эффективность вдувания в доменные печи отработанных моторных масел без их обезвоживания. Коэффициенты замены кокса отработанным моторным маслом составляют от 0,7 до 1,1 кг/т при содержании в них воды от 30 до 10 % соответственно.10. Разработана методика оценки коэффициентов замены кокса вдуваемыми в горн газообразными, жидкими и твердыми материалами, позволяющая производить априорную оценку их энергетической ценности для доменной плавки без математического моделирования.

1. Сухие или увлажненные смеси, содержащие гексоген: A-IX-1, A-IX-2, A-IX-20 3.1. АЛЬГЕТОЛЫ См. гр. 2

2. ЭМУЛЬСИОННЫЕ ПАТРОНИРОВАННЫЕ ВВ диаметром 36, 60, 90, 120 мм. Водостойки. Предназначены для заряжания шпуров и скважин при производстве подземных взрывных, работ и взрывных работ на земной поверхности. нтд разрабатывается.

3. Пороха и ТРТ 4.1. ЭМУЛЬСЕН-П. Представляет собой обратную эмульсию водного раствора аммиачной и натриевой селитры в нефтепродукте, сенсибилизированную пироксилиновым порохом. нтд разрабатывается.