автореферат диссертации по металлургии, 05.16.07, диссертация на тему:Исследование и разработка эффективной технологии рециклинга замасленной окалины

На правах рукописи

ТИХОНОВ Дмитрий Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ РЕЦИКЛИНГА ЗАМАСЛЕННОЙ ОКАЛИНЫ

Специальность 05.16.07 - "Металлургия техногенных и вторичных

ресурсов"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2004

Работа выполнена на кафедре руднотермических процессов Московского Государственного института стали и сплавов (Технологического университета)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Курунов И.Ф.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Валавин B.C. кандидат технических наук, Давлятов И. В.

Защита диссертации состоится 28 октября 2004 года в 1000 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)

Ведущее предприятие:

ОАО «Северсталь»

Автореферат разослан: 2004 г.

Справки по телефону (095) 237-84-45

Ученый секретарь диссертационного с< доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время на металлургических заводах России большое внимание уделяется утилизации мелкодисперсных железосодержащих отходов, среди которых замасленная прокатная окалина (особенно мелкая) доставляет наибольшие трудности при ее рециклинге. Основным способом утилизации замасленной прокатной окалины является использование ее в составе агломерационной шихты. Эта технология рециклинга требует предварительного обезвоживания окалины и удаления из нее масла или его нейтрализации путем смешивания окалины с известью перед подачей в аглошихту. Таким образом, используемые способы утилизации замасленной' окалины являются либо энергозатратными, либо осложняют работу аглофабрики и во всех случаях они не являются экологически безопасными.

Актуальность работы определяется необходимостью создания малозатратной и экологически безопасной технологии утилизации замасленной прокатной окалины, позволяющей эффективно перерабатывать ее большие объемы, не нанося вред окружающей среде.

Цельработы. Разработка эффективной и экологически безопасной технологии рециклинга замасленной окалины в доменной плавке, изучение влияния применения этой технологии на показатели плавки и оценка ее эффективности.

Научная новизна. Предложена принципиально новая технология рециклинга замасленной окалины путем приготовления из нее и маслоотходов комбинированного жидкого доменного топлива (КЖДГ) и вдувания его в фурмы доменной печи.

Впервые экспериментально исследованы реологические свойства КЖДГ и формализованы их зависимости от его температуры и состава. Определены оптимальные диапазоны температур приготовления КЖДГ (20-40°С) и температур подачи его в фурмы (60-90 °С) доменной печи.

Разработаны и внесены дополнения в уравнение операционной прямой доменного процесса (по А.Ристу), позволяющие учитывать вдувание железосодержащих материалов в фурмы доменной печи при применении этого уравнения для исследования влияния условий доменной плавки на ее показатели.

Предложена методика моделирования состава газа в фурменной зоне доменной печи при вдувании. КЖДГ с помощью программного термодинамического комплекса ИВТАНТЕРМО.

РОС и А Ц ЦО иЛДЫАЛЯ С И Ы МОТЬКА

Практическая ценность. Практическим результатом работы являются:

Подтверждение осуществимости и эффективности разработанной технологии приготовления КЖДГ, его подачи и сжигания с применением стандартных аппаратных средств путем проведения стендовых и промышленных испытаний на энергетической установке с водогрейным котлом «Ангара» и на доменной печи.

Для целей проектирования установок по приготовлению и использованию КЖДТ получена информационная база реологических свойств КЖДГ в широком диапазоне его составов.

Определены оптимальные диапазоны температур приготовления и вдувания КЖДГ в фурмы доменной печи.

Разработаны четыре принципиальных технологических схемы производства КЖДГ, позволяющие решать различные задачи утилизации замасленной окалины при различных требованиях к эффективности технологии.

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 и методов математической статистики, удовлетворительной сходимостью результатов термодинамического моделирования, теплотехнических расчетов и стендовых испытании.

Апробация и публикация работы По материалам диссертации опубликовано 10 статей и получены 2 решения о выдаче патентов РФ на изобретения. Отдельные положения и результаты данной работы докладывались и опубликованы в трудах:

Научно-практической конференции «Энергоресурсосбережение на предприятиях металлургической и горной промышленности (новые решения)» (Санкт-Петербург, 2004г.).

Международной научно-технической конференции «Теория и практика производства чугуна», (Украина, Кривой Рог, 2004г.).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, списка использованных литературных источников из 125 наименований. Общий объем работы составляет 143 стр., в том числе 18 таблиц, 48 рисунков и 8 приложений.

Автор выражает благодарность д.т.н. Арутюнову В.А. и к.т.н. Ерохину С.Ф. за ценные советы и помощь при выполнении данной работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ УТИЛИЗАЦИИ НЕКОНДИЦИОННЫХЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ

В диссертационной работе проведен анализ технических решений по утилизации некондиционных железосодержащих материалов на предприятиях черной металлургии и их классификация. Показаны основные трудности и недостатки существующих технологий утилизации железосодержащих отходов. Наиболее сложным для рециклинга является мелкая замасленная окалина, утилизация которой приводит к повышенному износу оборудования и потере энергетического потенциала отработанных смазочных материалов, а также к усложнению традиционной технологии подготовки металлургического сырья к доменной плавке. Многооперационность и высокая энергоемкость процессов увеличивает затраты на переработку замасленной окалины.

Представлена характеристика замасленной окалины и ее свойств, а также отображены данные о ежегодных объемах ее образования.

Путем сравнения применяемых технологий утилизации некондиционных железосодержащих материалов выделены основные экологические аспекты рециклинга замасленной окалины. Показано, что перспективными являются способы ее рециклинга путем вдувания в высокотемпературные зоны дуговых и доменных печей. Такие способы экологически безопасны и не требуют больших экономических затрат на предварительную подготовку комбинированной вдуваемой смеси.

На основе проведенного анализа и сравнения технологий утилизации некондиционных железосодержащих материалов и в развитие предложенной специалистами МИСиС концепции использования доменной печи в качестве агрегата для глобального рециклинга, сделан вывод о целесообразности утилизации отработанных маслоотходов и замасленной окалины путем приготовления из них КЖДТ и вдувания его в фурмы доменной печи.

РАЗРАБОТКА ОПТИМАЛЬНОГО СОСТАВА КЖДГ И СПОСОБОВ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ

Реологические свойства КЖДГ. При разработке состава КЖДТ опирались на экспериментальные данные о реологических свойствах водомазутных и водоугольных топлив, предназначенных для вдувания в фурмы доменных печей или энергетические установки.

Целью исследований было экспериментальное определение закономерностей изменения характеристик КЖДГ в зависимости от физико-химических факторов, влияющих на реологические свойства и стабильность КЖДГ, определяющими из которых являются крупность дисперсной фазы (воды и окалины), ее концетрация и температура. Главным требованием к КЖДГ является его дисперсность.

В исследованиях КЖДГ рассматривали как двухфазную дисперсную систему, в которой жидкой фазой является водомасляная эмульсия, а твердой - окалина с удерживаемыми на поверхности ее частиц нефтепродуктами и водой.

На основе маслоотходов и воды готовили пробы эмульсий, в которые вводили исходную ^ = 42 %) или частично обезвоженную до влажности 14 и 35% замасленную окалину.

Соединение водомасляных эмульсий с окалиной проводили в лабораторном диспергаторе при тех же режимах, что и при получении водомасляных эмульсий. Далее модельные пробы КЖДГ подвергали реометрическим испытаниям для получения кривых течения в интервале температур от 2,5 до 60°С, водосодержание меняли от 10 до 50 %, концентрацию твердой фазы (с) от 20 до 40 %.

Испытания образцов модельных проб для получения их реологических кривых проводили на ротационном вискозиметре «RHEOTEST-2» с коаксальными гладкими цилиндрами, работающем по методу постоянной скорости сдвига при температурах от 2,5 до 60 сС. Скорости сдвига изменялись в диапазоне от 0,5 до 437 с"1 при постоянной температуре. Точность измерения составляла 3 %. На рисунке 1 представлена одна из полученных реограмм для w = 23,8 % и с = 30,2 %.

В результате обработки экспериментальных данных методами математической статистики получены расчетные зависимости для вычисления реологических констант, по которым рассчитывали эффективную вязкость КЖДГ для различных модельных составов.

цэ0)ж.= Но(20) ехр[2,275-0,5065 ^+(2,6234986 10*1) \у| (1)

где ЦЭ^)^ - вязкость водомасляной эмульсии, Пас; |4)(20) - вязкость обезвоженных маслоотходов при 20°С, Пас; t - температура, °С; w -

К(1)=цэ0)эм: еф[(5,064+0,101 I) с] п(0= 1-(0,464+1,777 10 ? $ с Р (0^=х/(<Ь/с1у)= К(1)(сШу)п(0-

(4)

(3)

(2)

водосодержание, %; с - концентрация твердой фазы, %; K(t) - параметр консистежности; n(t) — индекс неньютоновского поведения; цэ (t),^ — вязкость суспензии, Па*с; (du/dy) - скорость сдвига, с"1.

Полученные зависимости использовали для оценки свойств различных модельных композиций КЖДГ (30 композиций).

Проведенные исследования модельных композиций показали, что с точки зрения требуемых реологических свойств КЖДТ на состав самого топлива практически не накладываются какие-либо ограничения, кроме вязкости, отклонения которой можно регулировать изменением температурного режима приготовления и подачи топлива на сжигание.

Лабораторными исследованиями реологических свойств КЖДТ установлено, что для всех рассмотренных композиций при температуре 40°С эффективная вязкость КЖДГ не превышает 0,8 Па*с, а при температуре 60 °С - 0,46 Па-с, и оно может успешно вдуваться в фурмы доменной печи с применением отработанных средств подачи и диспергации жидкого топлива (мазута).

Стабильность КЖДГ. До начала реометрических испытаний все образцы модельных композиций исследовались на стабильность при

температуре окружающей среды (от 15 до 40°С) и времени наблюдения проб 5 суток. Седиметационную стабильность образцов определяли визуальным методом, путем измерения высоты осадка, образующегося в мерном цилиндре объемом 100 мл. Эксперименты показали, что во всех случаях имела место высокая стабильность проб КЖДГ, которая выражалась в отсутствии расслоения и незначительном (не более 10 %) отклонения водосодержания и концентрации окалины от номинала по высоте столба топлива.

На следующем этапе были выполнены эксперименты по исследованию влияния отрицательных температур на поведение КЖДГ. С этой целью образцы КЖДГ, характеризующиеся различным составом и реологическими свойствами, замораживались в холодильной камере при температуре минус 12°С. Далее проводились визуальная оценка свойств образцов. Абсолютно все модельные пробы топлива КЖДГ при температуре минус 12 °С утрачивали текучесть, хотя и не приобретали при этом свойств твердого тела. По консистенции они напоминали жидкий гудрон.

После размораживания часть образцов восстановила свои первоначальные свойства, а у другой части обнаружилось выделение свободной воды. Установлено, что в процессе производства и хранения КЖДГ недопустимо его охлаждение до температур ниже 0 °С.

Дисперсность воды и окалины Уровень дисперсности воды и окалины, при котором обеспечивается необходимая седиментационная стабильность КЖДГ в статических условиях, определили расчетным путем. Расчеты показали, что при диспергировании воды до размера глобул менее 50 мкм КЖДГ будет сохранять стабильность и достаточно высокую однородность состава более 3-5 суток без применения каких-либо специальных мер. Вместе с тем, как показывает опыт сжигания водомазутных эмульсий, размер водяных глобул целесообразно доводить до менее 5-10 мкм. При такой крупности дисперсной фазы в КЖДГ при его распыливании форсункой в капле топлива размером 150 мкм будет содержаться более 20 тыс. глобул воды, которые вызовут вторичное дробление этой капли и повысят эффективность горения топлива.

Изучение диспергирования воды в маслоотходах показало, что вода в масле очень интенсивно дробится на глобулы, в основном, из-за существенной разницы в поверхностном натяжении воды и маслоотходов, а также наличия в последних поверхностно-активных веществ, интенсифицирующих этот процесс.

Основные требования к технологическим свойствам КЖДТ. В общем случае технология получения КЖДТ должна включать следующую последовательность операций:

- прием компонентов;

- подготовку компонентов;

- подачу компонентов в диспергирующий аппарат,

- получение топлива;

- накопление и рециркуляция топлива;

- подачу топлива к доменной печи.

Для получения стабильного КЖДГ с высокой степенью дисперсности воды могут быть применены стандартные диспергирующие устройства (эмульгаторы) или высокооборотные машины, в которых имеет место интенсивное турбулентное перемешивание обрабатываемой жидкости. К числу аппаратов, способных обеспечить получение КЖДГ относятся роторно-пульсационные эмульгаторы, турбулизаторы и центробежные насосы.

Таким образом, при реализации технологии получения КЖДГ и при его использовании следует учитывать что:

- реологические свойства топлива КЖДГ очень термочувствительны: при температуре менее 10°С эффективная вязкость топлива при скорости сдвига 100 с-1 поднимается до уровня 2,5 Па*с и более, что крайне отрицательно влияет на режимы его приготовления и транспортирования, а также повышает затраты энергии на эти операции;

- чем выше температура компонентов топлива, тем эффективней идет процесс диспергирования воды в маслоотходах. Однако стабильность топлива КЖДТ повышается с уменьшением температуры, что связано с ростом вязкости и, следовательно, со снижением скорости оседания частиц дисперсной фазы (окалины и воды). Оптимальный диапазон температур для производства стабильного КЖДГ составляет от 20 до 40°С;

- при отрицательных температурах КЖДГ утрачивает свойства жидкости. Циклы замораживания и оттаивания КЖДГ недопустимы;

- установка по производству топлива КЖДГ должна размещаться в отапливаемом помещении с температурой воздуха не ниже 10°С;

- при подаче КЖДТ в домешгую печь его температуру перед форсункой целесообразно поднять до уровня 60-90°С с целью снижения эффективной вязкости и улучшения условий распыла;

Варианты технологии производства КЖДГ. В зависимости от конкретных производственных и экономических условий возможны 4 варианта построения технологического процесса получения КЖДГ:

- из сырьевых компонентов с произвольным составом и характеристиками;

- с постоянными реологическими и теплотехническими свойствами;

- с максимальным использованием замасленной окалины;

- из крупной замасленной окалины.

Во всех случаях технологический процесс получения КЖДГ включает в предварительное соединение замасленной окалины с маслоотходами, стабилизацию гомогенизированной смеси в диспергирующем аппарате и перекачку готового топлива в резервуары хранения.

ПОВЕДЕНИЕ КЖДГ В УСЛОВИЯХ ФУРМЕННОЙ ЗОНЫ

Анализ влияния вдуванияКЖДГнапоказатели доменной плавки с помощью операционной прямой доменного процесса. Оценка влияния вдувания КЖДГ на тепло- массообмен в доменной печи проводилась с помощью графоаналитической методики, разработанной профессором А. Ристом, путем построения операционной прямой доменного процесса, в уравнение которой нами внесены дополнения, учитывающие затраты тепла на нагрев компонентов вдуваемого в фурмы КЖДГ, испарение и диссоциацию воды, а также приход дополнительного водорода и кислорода с компонентами КЖДГ.

Операционная прямая при идеальной работе доменной печи проходит через точки W и Р координаты которых описываются уравнениями 5,6 (точка Р) и 7,8 (точка W):

Д, = Х =

qг( 1 + 2е)

<?г(1 + 2е) + а + - е • ?

с ' е

Дг = (Уэл+У5+Ук+(а+Ь)у^+(а1+Ь1)укадт + Уг«ювдг)х

л ^ОП

в + УГ Ч] + б х(Х-1) --+—---А-

Чг

(5)

(6)

Ур =1,05--

Л

КЖДТ

шихты + Ре КЖДТ

Х\У = Хш1+Ь (Ху;2-Хич)

(7)

(8)

Вдувание КЖДТ в горн доменной печи приводит к гоменению условий массообмена в шахте и теплопотребности нижней зоны (рисунок 2). Это вызвано увеличением затрат тепла на нагрев и расплавление частиц окалины, испарение и диссоциацию воды (О""), а также вдуванием дополнительного водорода и кислорода в составе КЖДТ (О2 кждт + +(а1+b1)укждт).

Вдувание оксидов железа, содержащихся в КЖДТ, уменьшает долю железорудного окускованного сырья в шахте и изменяет структуру столба шихты. Доля кокса в столбе шихты увеличивается, а доля железорудной части шихты уменьшается.

Рисунок 2 - Изменения операционной прямой при вдувании КЖДТ в фурмы доменной печи

В результате увеличивается удельный расход восстановительного газа ^а) в уравнении массообмена и теплопотребность нижней части зоны печи, а следовательно уменьшается степень прямого восстановления (уа, У<и) железорудной части шихты, проходящей через шахту доменной печи.

При вдувании железосодержащих материалов в горн доменной печи суммарная степень прямого восстановления складывается из двух составляющих: железо, прошедшее через шахту и восстановленное углеродом (у<ц на рисунке 2) и железо, поступившее в печь через фурмы.

Гй = уа1+и-и1 (9)

Одновременно на графике операционной прямой доменного процесса уменьшается ордината и увеличивается абсцисса точки ^

Таким образом, вдувание КЖДТ в фурмы печи приводит к увеличению расхода восстановительного газа на единицу железа шихты и доли водорода в нем. Частичная компенсация затрат тепла на нагрев и расплавление частиц окалины вдуваемого топлива происходит за счет снижения доли железа загружаемой шихты, восстановленного прямым путем.

Теплотехнический анализ поведения компонентов КЖДТ в условиях фурменной зоны. В данной части диссертационной работы решалась задача оценки нагрева в фурменной зоне вдуваемых через фурмы частиц железосодержащих материалов как отдельно, так и в составе КЖДТ. Для решения этой задачи использован известный метод расчета нагрева частицы, летящей в потоке газа. Этот метод применен для расчета нагрева частиц железорудного концентрата и окалины, а также капель распиливаемого форсункой КЖДТ в потоке дутья и образующегося при горении топлива фурменного газа.

Расчет нагрева частицы железорудного концентрата. В расчете использованы следующие условия и допущения. Железорудный концентрат вдувается в сопло перед воздушной фурмой, и его частицы пролетают расстояние 1 м в потоке дутья (температура 1100 °С, содержание кислорода 25 %, скорость потока 150 м/с), а затем - расстояние 2 м в потоке (скорость 80 м/с, температура 2000 °С) образующегося фурменного газа переменного состава (Ог = 25-0 %, СО, = 0-18-0 %, СО = 0-40 %).

Для расчета нагрева частицы железорудного концентрата (сферическая частица диаметром с1 = 80 мкм) использованы коэффициенты теплопроводности^)' воздуха при 1100 °С - 0,085 Вт/(мК); СО2 при 2200 К - 0,1272 Вт/(мК); СО при 2200 К - 0,12984 Вт/(мК); N. при 2200 К -0,12268 Вт/(мК); концентрата при нагреве в потоке воздуха- 8,0 Вт/(мК) и при нагреве в потоке фурменного газа -10,0 Вт/(мК).

Используя критериальную зависимость дня теплоотдачи к частице в потоке газа N11 = сс^ХЛ! = 2 + 0,6311ешРг,/3, и учитывая, что дня мелких частиц эта зависимость приобретает вид № = 2, получаем величину коэффициента теплоотдачи а* = 2"к!&, откуда получаем коэффициенты теплоотдачи: для воздуха а, = 2-0,085/(8-10"5) = 2125 Вт/м^К и для газа а* =3375 Вт/м'К.

С учетом значении числа В1=а-<1/А, для случая нагрева в воздухе (Б1=0,0212) и в газе (К=0,027) считаем, что сферическая частица нагревается как термически тонкое тело, для которого безразмерный дефект температуры находим по выражению:

^=(Т0-ТУ(Т0-Тн)=ехр(-3-Л1^о), (10)

где Т0 - температура газа; Т - текущая температура частицы; Т„ начальное значение температуры частицы; В!=а-с1А5, Бо = аЬ^2 - числа Био и Фурье, ^-коэффициент теплопроводности концентрата; а-коэффициент температуропроводности концентрата; t - время пребывания частицы в потоке (при допущении об отсутствии скольжения t = 1/Ь. Время пребывания в потоке воздуха t = 1/150 = 0,0067 с; в потоке газа t=2/80 = 0,025 с).

Используя приведенные зависимости для расчета, получили, что при полете в потоке дутья частица концентрата нагреется до температуры 482 °С, а при полете в потоке газа до конца зоны циркуляции частица нагреется до температуры 1943°С. Расчет выполнен при допущении об отсутствии радиационного теплообмена между газом и частицей, что приемлемо для воздуха, являющегося диатермичной средой. Учитывать радиационный теплообмен для нагрева частицы в газе нет смысла, так как частица нагревается практически до температуры газа.

Расчет нагрева капель комбинированного жидкого топлива и частиц окалины в этом топливе. При расчете использовали следующие исходные данные. Распыление топлива производится форсункой ФВД-100 с двухступенчатым распылением при расходе топлива Вт = 0,028 кг/с. Давление топлива перед форсункой Рт = 200 кПа, температура топлива 90 °С. Для распыления топлива используется сжатый воздух под давлением Рв = 600 кПа, температура воздуха 50°С. Удельный расход воздуха для первичного и вторичного распыления одинаков и составляет 0,65 кг/кг жидкого топлива.

Для определения среднего диаметра капель жидкого топлива, образующихся при его распыливании указанной форсункой, использовали зависимость:

(¿ = 0,55^шрвых), (11)

где \у„ых и р^ - соответственно, скорость и плотность распылителя (компрессорного воздуха), поступающего в смеситель, равные 405,6 м/с и Рвъиг 1,8 кг/м3.

В результате получили d = 1,86-10'6 м. При таком размере капель жидкой фазы топлива в них могут содержаться только частицы окалины крупностью не более 1 мкм. Более крупные частицы окалины со средним размером 16 мкм будут двигаться в потоке дутья, а затем в потоке фурменного газа автономно.

Используя известное выражение для времени нагрева термически тонкого тела до заданной конечной температуры:

(12)

где р, кг/м3 и с, ДжДкг К) - плотность и теплоемкость масла (использована теплоемкость мазута), соответственно, - начальная и

конечная температуры капли, нашли, что до температур кипения (105°С) и самовоспламенения (380°С) капли нагреваются практически мгновенно, т.е. непосредственно после выхода из форсунки.

Расчет нагрева частиц окалины, движущихся в потоке дутья, смешанного с продуктами сгорания масла, а затем в потоке фурменного газа, выполненный по формуле (10), показал, что на выходе из фурмы частицы окалины крупностью 16 мкм нагреваются до температуры 948°С, а частицы крупностью 30 мкм - до температуры 439°С. За время полета в потоке фурменного газа в пределах фурменного очага (2 м) частицы окалины крупностью 16 мкм нагреваются практически до температуры газа, а частицы крупностью 3 0 мкм - до температуры 1915°С.

Термодинамический спшиз поведения компонентов КЖДГ в условияхфурменнойзоны. Термодинамическое моделирование с помощью программного комплекса ИВТАНТЕРМО, выполнили при аналогичных допущениях (длина фурменной зоны 2000 мм, средняя температура фурменного газа 2000°С.) и с использованием для адаптации модели экспериментальных данных о составе, давлении и температуре газа по длине фурменной зоны. Программный комплекс ИВТАНТЕРМО осуществляет расчет (по условию минимизации энергии Гиббса) мольных долей химически реагирующих веществ для равновесного состояния системы при заданных температуре, давлении и элементном составе.

Выбор химических элементов, входящих с состав исследуемой системы (С, О, Н, К, Ее, 81), произвели с учетом необходимости оценить происходящие в фурменной зоне превращения с элементами,

составляющими компоненты КЖДГ и присутствующими в коксе и дутье. Температуру, давление и фазовый состав в фурменной зоне для базового варишгга (работа доменной печи с расходом природного газа 97 м3/т при содержании кислорода в дутье 25,8 % без вдувания КЖДГ) приняли на основе экспериментальных данных о температуре, давлении и составе газа в фурменной зоне по радиусу горна вдоль оси фурмы. Вдувание КЖДТ приводит к снижению теоретической температуры горения за счет затрат тепла на нагрев компонентов КЖДГ, испарение воды и на ее диссоциацию. С учетом этого температура в фурменной зоне при моделировании вдувания КЖДТ была скорректирована.

Полученные результаты термодинамического моделирования базового варианта по распределению углерода, водорода и кислорода между компонентами газовой фазы вполне удовлетворительно соответствовали экспериментальным данным (рисунок 3), что свидетельствует о корректности настройки модели по принятой методике.

600 800 1000 1200 1400 Расстояние от торца фурмы, мм

Рисунок 3 - Состав газовой фазы в фурменной зоне по оси воздушной фурмы (базовый вариант)

Термодинамическое моделирование состава газовой фазы в фурменной зоне при вдувании КЖДТ (состав: 20,7% воды, 43,1% окалины и 36,2 % отработанного моторного масла) в количестве 100 кг/т чугуна показало небольшое отличие результатов по сравнению с базовым вариантом (рисунок 4). Изменения вызваны увеличением долей кислорода

и водорода в системе за счет их дополнительного прихода с компонентами КЖДГ (окалина, маслоотходы, вода). Наличие в КЖДГ углеводородов и воды приводит к увеличению содержания СО и Н2 и более раннему их образованию перед воздушной фурмой.

Т,°С

X

з-.и л

г; о

г

о

5

О.

4) «*

О

О

40,1

н,о со / У /У

г ' ^СО-Ч) Ж

■ ■ У *

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 200С Расстояние от торца фурмы, мм

Рисунок 4 - Состав газовой фазы в фурменной зоне (вдувание КЖДТ)

Полученные результаты моделирования качественно соответствуют составу газовой фазы при вдувании в фурмы мазута. Рост концентрации СО и Н2 в горновом газе и их удельного выхода на единицу железа шихтовых материалов, загружаемых в печь, увеличивает долю железа, восстанавливаемого газом в шахте, что частично компенсирует затраты тепла на прямое восстановление оксидов железа, вдуваемых в фурмы в составе КЖДГ.

Согласно результатам моделирования высшие оксиды железа окалины в фурменной зоне существуют только на расстоянии до 300 мм от торца фурмы, а затем переходят в жидкий монооксид, который восстанавливается до металлического железа концу фурменной зоны.

СТЕНДОВЫЕ И ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ КЖДГ

Сжигание КЖДГ на испытательном стенде с водогрейным котлом «Ангара». Характер горения КЖДГ и возможности его подачи к форсунке при использовании стандартного оборудования исследовали на испытательном стенде с водогрейным котлом «Ангара». Для этого получали партию топлива в количестве 160 кг следующего состава: вода-14,5 %, окалина - 25,5 %, маслоотходы - 60 %. Динамическая вязкость топлива при 20 °С составляла 0,32 Па-с, низшая теплота сгорания на рабочее состояние - 23,7 МДж/кг. Нестандартное оборудование, использованное для приготовления топлива (смеситель лопастного типа), позволило получить лишь условно стабильное топливо (отсутствие расслоения в течение 1 часа).

Подача топлива к форсунке осуществлялась объемным насосом с давлением (перед форсункой) 0,1 Мпа. Для диспергации топлива использовали пневматическую форсунку, приспособленную для вязких, содержащих абразивные включения' топлив. Перед подачей КЖДГ предтопок котла разогрели до 1300 °С, используя соляровое масло. Затем в течение 30 минут в топке сжигали одновременно соляровое масло и КЖДГ до стабилизации режима горения последнего. После этого в котле сжигали только КЖДТ при его расходе 60-70 кг/час.

Наблюдения показали, что воспламенение капельно-воздушной смеси происходило непосредственно у среза форсунки, горение КЖДГ протекало интенсивно с образованием устойчивого плотного факела красного цвета в центре,а на периферии соломенно-розового цвета. Длина факела не превышала пределов предтопка. Выделение сажи не наблюдалось. Анализ газа, отобранного из топки, показал, что на расстоянии 1100 мм от форсунки содержание СО составляло 0,1 %, а в конце топки СО отсутствовало, что свидетельствует о полном сгорании органической массы топлива при коэффициенте расхода воздуха 1,27. Отходящие из котла газы содержали 121мг/м3 - N0* и 325 мг/м3 - БОг.

Собранная после окончания испытаний зола из топки котла и из циклона золоочистки представляла собой тонкодисперсных порошок (на 90 % менее 50 мкм) перпельно-коричневого цвета с розовым оттенком. Химический анализ золы на железо показал, что при общем содержании его в золе 51,78 %, содержание двухвалетного железа составило только 3,16 %. Металлическое железо в золе отсутствовало.

Таким образом, испытания показали, что КЖДГ го маслоотходов и окалины, полученное даже без применения эмульгирующего

оборудования, имело удовлетворительные реологические свойства, при которых все стандартные элементы аппаратной схемы (фильтр, насос, трубопроводы, запорно-регулирующая аппаратура, форсунка) работали удовлетворительно как по надежности, так и по стабильности параметров. Такое топливо вполне пригодно для вдувания в воздушные фурмы доменных печей.

Вдувание в фурму доменнойпечиДругую опытную партию КЖДГ (250 кг), полученную также по упрощенной технологии вдували в фурму доменной печи обьемом 1000 м3 через систему вдувания отработанного трасфоматорного масла (совтола).

КЖДГ получали путем рециркуляции смеси компонентов топлива при помощи центробежного насоса и стационарной емкости в течение 3-4 часов. Отбор проб жидкости проводился 3 раза после первого, второго и третьего часа работы установки.

Полученное КЖДГ представляло из себя гомогенную, текучую жидкость черного цвета следующего состава: 30% воды, 22% окалины, 48 % нефтепродуктов. Плотность КЖДГ равна 1,13 т/м3. Седиментационную стабильность топлива определяли визуальным способом. В течение суток наблюдалось образование осадка только в первой пробе, полученной после первого часа перемешивания, а в остальных пробах образование осадка не наблюдалось.

Предварительно подогретое до температуры 40 °С КЖДГ подавали в фурму с расходом 10 л/мин. В фурму топливо поступало через трубку подачи природного газа, что улучшало его диспергацию в фурме и способствовало более полному сгоранию.

Визуальное наблюдения через гляделку фурменного прибора показало, что горение КЖДГ протекало интенсивно с образованием плотного факела.

Испытания показали, что КЖДГ из маслоотходов и окалины имело удовлетворительные реологические свойства, при которых все стандартные элементы аппаратной схемы установки для вдувания совтола работали удовлетворительно как по надежности, так и по стабильности параметров. Полученное даже по упрощенной технологии топливо пригодно для вдувания в фурмы доменной печи.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КЖДТ В ДОМЕННОЙ ПЛАВКЕ

Оценку эффективности применения КЖДТ в доменной плавке выполнили путем ее компьютерного моделирования. При расчете состава КЖДГ использовали окалину следующего химического состава: Fe - 68,96: Fe2O3 - 43,34; FeO - 49,66; SiC2 -1,8; CaO - 2,02; A12O3 - 0,4; MgO - 0,17; MnO - 0,03; Zn - 0,019;^ - 0,03; Na2O - 0,02.

Основные показатели доменной плавки в базовом варианте (без вдувания КЖДГ) и в вариантах вдувания 4-х типов КЖДГ (таблица 1) приведены в таблице 2.

Таблица 1 - Модельные композиции КЖДТ

№ № Параметры КЖДТ

Теплота сгорания, МДж/кг Вязкость при 80°С и скорости сдвига 100с"1, Пас Состав, %

Вода Окалина Масло-отходы

В1 13,96 0,212 20,7 43,1 36,2

В2 19,99 0,10 12,4 36,9- 50,7

ВЗ 14,87 0,17 13,2 48,8 38,0

В4 14,06 0,19 32,0 30,9 37,1

Содержание железа в загружаемой шихте (с учетом конвертерного шлака и руды) составляло во всех вариантах - 58,98%. Температура и влажность дутья во всех вариантах были неизменными (температура дутья 1168°С, влажность дутья - 16,4 г/м3). Содержание кислорода в дутье в опытных вариантах увеличили на 2 % для поддержания теоретической температуры горения на уровне, около 2000°С.

Как видно из таблицы, вдувание КЖДГ в доменную печь заменяет часть железорудной окускованной шихты и снижает расход кокса. Максимально расход кокса уменьшился в варианте с вдуванием КЖДГ композиции В2 с самыми высокими энергетическими характеристиками.

Таблица 2 - Показатели доменной плавки при вдувании КЖДГ

Показатели База В 1 В2 ВЗ В4

Расход шихтовых материалов, юЛ:

Агломерат 1537 1487 1495 1481 1500

Окатыши Лебединские 79,4 76,8 77,2 76,5 77,5

Руда Михайловская 5,9 5,7 5,7 5,7 5,8

Конвертерный шлак 7,9 7,6 7,7 7,6 7,7

Агломерат промыв. 13,65 13,2 13,2 13,1 13,2

Кокс сухой 454 431,9 405,8 423,9 438,5

КЖДГ - 100 100 100 100

Расход природного газа, м^/г 97 97 97 97 97

Расход дутья, м3/мин 2904 2852 2856 2847 2860

Содержание кислорода, % 25,8 27,8 27,8 27,8 27,8

Теоретическая температура горения, °С 2139 2005 2001 2030 1967

Выход шлака, кг/г 318 309 307 307 311

Производительность, т/сутки 3897 3959 4026 3991 3923

Коэффициент замены кокса КЖДГ, кг/кг 0,221 0,482 0,301 0,155

Комплексный энергетический анализ вдувания КЖДГ. Анализ энергоэффективности вдувания КЖДГ в доменную печь выполнили с применением методики технологических топливных чисел (114), разработанной Лисиенко В.Г. и другими в Уральском государственном технологическом университете. Рассчитывались и сравнивались ТТЧ вариантов с вдуванием КЖДТ (В2,таблица 1) и без вдувания.

Для расчета ТТЧ передельного чугуна принимались обобщенные показатели ТТЧ исходныхтопливных и энергетических ресурсов.

На рисунке 5 построены гистограммы изменения энергозатрат по результатам расчетов для базового и варианта с вдуванием КЖДГ.

Как видно из рисунка 5 вдувание КЖДГ приводит к уменьшению первичной энергии и увеличению производной, скрытой и вторичной энергий. Изменение первичной энергии вызвано уменьшением расхода кокса за счет замены его вдуваемыми углеводородами. Повышение содержания кислорода в дутье повлияло на производную энергию. Замена вдуваемыми оксидами железа в горн доменной печи части окускованной железорудной шихты, и изменение калорийности колошникового газа привело к повышению скрытой и вторичной энергии.

(О 4400

-400

□ Первичная энергия (Э1) □ Производная энергия (Э2)

ЕЗ Скрытая энергия (ЭЗ) □ ВЭР (Э4)

Эи, » Э.+Э^Э.-Э, - 777.9 ♦ 152,9 ♦ 225.1 - 210.2 - 945,7 кг у.т/т чугуна Эиад, - Э,+Э,+Э,-Э„ « 708,4 + 154,6 + 266,2 - 213,8 ■ 915,4 кг у.т/т чугуна

Рисунок ,5- Гистограмма изменения энергозатрат

Таким образом, комплексный энергетический анализ вдувания КЖДТ в горн доменной печи показал уменьшение суммарных энергозатрат на выплавку передельного чугуна, что позволяет говорить об энергетической эффективности применения КЖДТ посредством его вдувания в доменную печь.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ существующих технологий переработки некондиционных железосодержащих материалов выделил их основные технологические и экологические недостатки. Наибольшие трудности доставляет утилизация замасленной окалины. Применяемые технологии рециклинга, ориентированные на низкотемпературные и многостадийные процессы, энергозатратны и экологически небезопасны.

Для решения проблемы рециклинга окалины предложена принципиально новая технология утилизации прокатной замасленной окалины и маслоотходов путем приготовления из них КЖДГ для вдувания в фурменную зону доменной печи.

Проведенными лабораторным исследованиями реологических свойств КЖДГ показано, что обязательным условием получения стабильного нерасслаивающегося КЖДТ является содержание связанной

воды в маслоотходах и замасленной окалине 10-15 % и не менее 15 % соответственно. К качестве основного критерия регулирования свойств топлива выступает вязкость, отклонение которой можно корректировать изменением температурного режима приготовления и подачи топлива на сжигание. Оптимальный диапазон температуры приготовления стабильного КЖДГ 2040 °С, а максимальное диспергирование при подаче на сжигание КЖДГ обеспечивается при 60-90 °С.

На основе исследовании реологических свойств КЖДГ для различных конкретных протводственных и экономических условий предложены четыре варианта технологической схемы производства КЖДГ:

- из сырьевых компонентов с произвольным составом и характеристиками;

- с постоянными реологическими и теплотехническими свойствами;

- с максимальным содержанием замасленной окалины;

- из крупной замасленной окалины.

Для целей моделирования поведения КЖДГ в доменной печи в уравнение профессора А. Риста операционной прямой доменного процесса внесены изменения в части учета затрат тепла на нагрев компонентов КЖДГ, испарение и диссоциацию воды, а также прихода дополнительного водорода и кислорода с вдуваемыми компонентами КЖДГ.

Показано, что в капле КЖДГ на протяжении пути движения в фурме частицы окалины нагреваются до температур 950°С, а при движении в фурменной зоне до 2000°С зависимости от размера частицы. Вдувание КЖДГ увеличивает количество образующихся СО и Н2 в фурменном газе. Высшие оксиды железа окалины в фурменной зоне существуют только на расстоянии до 300 мм от торца фурмы, а затем переходят в жидкий монооксид, который восстанавливается до металлического железа к концу фурменной зоны.

Компьютерным моделированием получены показатели доменной плавки при вдувании КЖДГ и проведен сквозной энергетический анализ. Установлено, что коэффициент замены кокса вдуваемым КЖДГ колеблется в пределах от 0,15 до 0,48 кг/кг в зависимости от состава вдуваемого топлива и вдувание КЖДГ ведет к уменьшению суммарных энергозатрат на выплавку чугуна.

Стендовыми и опьггно-промышленными испытаниями при использовании стандартного оборудования доказана возможность подачи КЖДГ и его полного сжигания в топке энергетического котла и в фурме доменной печи.

По теме диссертации сделаны следующие публикации и получены решения о выдаче патентов на изобретения:

1. Курунов И.Ф., Тихонов Д.Н., Свитко СВ. Доменная печь -агрегат для получения восстановительного газа // Черная металлургия. Бюл. ин-та «Черметинформация». - 2002. - № 10. - С. 28-31.

2. Курунов И.Ф., Тихонов Д.Н., Савчук А.Н. Вдувание железорудного сырья в фурмы доменных печей расширяет возможности доменного процесса // Черная металлургия. Бюл. ин-та «Черметинформация». - 2003. - № 3. - С.23-35

3. Использование железококсовых брикетов на цементной связке в доменной плавке. /А.С. Белкин, Ю. С. Юсфин, И.Ф. Курунов, АЯ. Травянов, Д.Н. Тихонов и др // Металлург. - 2003. - №4. - С. 3941.

4. Курунов И.Ф., Тихонов Д.Н., Савчук А.Н. Вдувание флюсов в горн доменной печи для улучшения газодинамики процесса и контроля состава чугуна // Черная металлургия. Бюл. ин-та «Черметинформация». -2003.-№5.-С. 9-29.

5. Оценка коэффициета замены кокса реагешами, вдуваемыми в фурмы доменной печи / И.Ф. Курунов, Д. В. Олейников, Д.Н. Тихонов и др. // Известия вузов. Черная металлуртя. - 2003. - №9. - С.11-13.

6. Курунов И.Ф., Тихонов Д.Н., Ерохин С.Ф. Ресурсо-экологическая технология утилизации замаслешюй окалины. Сб. тезисов научно-практической конференции «Энергоресурсосбережение на предприятиях металлургической и горной промышленности (новые решения)». Санкт-Петербург. 19-22 Января. - 2004. - С.16-17.

7. Исследование свойств и эффективности применения в доменной плавке жидкого композитного топлива на основе замасленной окалины и маслоотходов / С.Ф. Ерохин, ДН. Тихонов, И.Ф. Курунов и др. Черная металлургия. Бюл. ин-та «Черметинформация». - 2004. - № 4. - С. 12-22

8. Курунов И.Ф., Ерохин С.Ф., Тихонов Д.Н. Особенности технологии и оценка эффективности экологически безопасного рециклинга замасленной прокатной окалины // Теория и практика производства чугуна. Сб. трудов международной научно-технической конференции. Украина. Кривой Рог. КГГМК «Криворожсталь». 24-27 Мая. -2004. -С. 580-584.

9. Вдувание комбинированного жидкого топлива из маслоотходов и замасленной окалины в доменную печь / И.Ф. Курунов, А.Л. Петелин, Д.Н. Тихонов идр. // Металлург. - 2004. - №7. - С. 33-36

10. Теплотехнический и термодинамический анализ вдувания в горн доменной печи замасленной окалины в составе комбинированного жидкого

топлива / И.Ф. Курунов, В.А. Арутюнов, Д.Н. Тихонов и др. // Черная металлургия. Бюл. ин-та «Черметинформация». - 2004. - № 8. - С. 34-39.

11. Способ утилизации замасленной окалины / B.C. Лисин, В.Н. Скороходов, И.Ф. Курунов, В.П. Настич, Е.А. Самсиков, В.М. Кукарцев, А.И. Кононов, С.Ф. Ерохин, Д.Н. Тихонов // Решение о выдаче патента от 24.06.2004 г. Заявка № 2003134040.

12. Способ утилизации мелкой замасленной окалины/ B.C. Лисин, В.Н. Скороходов, И.Ф. Курунов, В.П. Настич, В.М. Кукарцев, Е.А. Самсиков, А.И. Кононов, С.Ф. Ерохин, Д.Н. Тихонов // Решение о выдаче патента от 24.06.2004 г. Заявка №2003134041.

Отпечатано в типографии ОАО «Черметинформация» Заказ 226 .Тираж 130 экз.

•m 7 9

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ УТИЛИЗАЦИИ НЕКОНДИЦИОННЫХ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ.

1.1 Дисперсные железосодержащие отходы предприятий черной металлургии и технологии их утилизации.

1.2 Характеристика замасленной окалины и ее свойств.

1.3 Экологические аспекты применяемых технологий утилизации замасленной окалины.

1.4 Постановка задач исследований.

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ

КОМБИНИРОВАННОГО ЖИДКОГО ДОМЕННОГО ТОПЛИВА (КЖДТ) И ОПТИМИЗАЦИЯ ЕГО СОСТАВА.

2.1 Характеристика и особенности его сгорания ЭКОВУТ.

2.2 Обоснование состава КЖДТ на основе замасленной окалины и маслоотходов.

2.3 Методика исследования реологических свойств КЖДТ и разработка его состава.

2.4 Реологические свойства компонентов КЖДТ.

2.4.1 Исследование свойств замасленной окалины.

2.4.2 Исследование свойств маслоотходов.

2.5 Исследование реологических свойств КЖДТ.

2.5.1 Оценка необходимой дисперсности воды и замасленной окалины.

2.5.2 Исследование диспергирования воды в маслоотходах.

2.5.3 Определение экспериментальных зависимостей влияния водосодержания и температуры на реологические свойства водомасляных эмульсий. w 2.5.4 Исследование обезвоживания замасленной окалины.

2.5.5 Определение экспериментальных зависимостей влияния температуры и содержания дисперсной фазы на реологические свойства и стабильность

КЖДТ.

2.5.6 Определение состава и свойств композиций топлива.

2.6 Варианты технологии производства КЖДТ.

2.6.1 Основные требования к технологическим свойствам КЖДТ.

2.6.2 Получение КЖДТ из компонентов с произвольными характеристиками.

2.6.3 Получение топлива с постоянными реологическими и теплотехническими свойствами.

2.6.4 Получение топлива с максимальным коэффициентом использования замасленной окалины.

2.6.5 Получение топлива на основе крупной замасленной окалины.

Ц ГЛАВА 3 АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КЖДТ НА ПРОЦЕССЫ В ФУРМЕННОЙ ЗОНЕ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ И ПОКАЗАТЕЛИ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ.

3.1 Анализ влияния вдувания КЖДТ на показатели доменной плавки с помощью операционной прямой доменного процесса.

3.2 Теплотехнический анализ поведения компонентов КЖДТ в условиях фурменной зоны.

3.2.1 Расчет среднего размера капли.

3.2.2 Расчет времени нагрева капли КЖДТ до температур кипения и самовоспламенения.

3.2.3 Расчет нагрева частиц окалины.

3.3 Термодинамический анализ поведения компонентов КЖДТ в условиях фурменной зоны.

ГЛАВА 4 СТЕНДОВЫЕ И ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ

ИСПЫТАНИЯ КЖДТ.

4.1 Стендовые испытания КЖДТ.

9 4.1.1 Схема установки для получения КЖДТ.

4.1.2 Экспериментальный стенд и его компоненты.

4.1.3 Компоненты КЖДТ.

4.1.4 Партия КЖДТ.

4.1.5 Эксперименты по сжиганию КЖДТ.

4.2 Вдувание в фурмы доменной печи.

ГЛАВА 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КЖДТ В ДОМЕННОЙ ПЛАВКЕ.

5.1 Исследование эффективности вдувания КЖДТ с помощью компьютерного моделирования доменной плавки.

5.2 Комплексный энергетический анализ вдувания КЖДТ.

Сложившаяся в прошлом веке концепция современной технологии доменного процесса предусматривает использование в доменной печи только специально подготовленного окускованного железорудного сырья - агломерата, окатышей и богатой кусковой железной руды. К гранулометрическому составу, холодной и горячей прочности кокса также предъявляются жесткие требования, выполнение которых обеспечивает достижение максимальных технико-экономических показателей доменной плавки и позволяет использовать в шихте ограниченное количество коксового орешка (фракция 1525 мм) и мелкофракционного (3-5 мм) агломерата /1/.

Проблема утилизации образующихся на интегрированном металлургическом предприятии железосодержащих мелкодисперсных отходов в виде пылей, шламов и прокатной окалины в основном решается путем их использования в качестве компонентов агломерационной шихты. При этом на окускование этих отходов повторно затрачиваются энергетические и экологические ресурсы. Особые трудности вызывает рециклинг по этой схеме замасленной прокатной окалины, требующей предварительного ее обезвоживания и удаления или нейтрализации масел путем смешивания окалины с известью. Применяемые способы обесмасливания окалины являются энергозатратными и экологически небезопасными из-за выброса в атмосферу экотоксикантов. Рециклинг замасленной окалины в агломерационном процессе также сопровождается значительными выбросами сильнейших токсинов - диоксинов и фуранов, и требует применения на аглофабриках дорогостоящих систем газоочистки или специальных технологий, препятствующих образованию диоксинов при агломерации /2,3/. Кроме того, масла, полностью не сгорающие в процессе агломерации, сокращают срок эксплуатации эксгаустеров.

В то же время, эволюция технологии доменной плавки, инжиниринга доменной печи и ее инфраструктуры открывает новые способы утилизации таких отходов без существенных затрат указанных ресурсов, расширяя возможности доменной печи, как металлургического агрегата /4,5/.

Благодаря процессу горения топлива, окисляемого нагретым и обогащенным кислородом дутьем, в горне доменной печи образуется высокотемпературная зона, где тепло- и массообмен между газом, жидкими продуктами плавки и коксом происходит с высокими скоростями. Наличие в горне воздушных фурм дает возможность подавать через них в эту зону вместе с дутьем не только частично заменяющее кокс дополнительное топливо (газовое, жидкое или пылеугольное), но и мелкодисперсные железосодержащие материалы с целью их утилизации (железосодержащие пыли и шламы) или воздействия на массообменные процессы в горне печи (железорудный концентрат, железосодержащие отходы, флюсующие добавки) для повышения производительности печи и улучшения состава чугуна. В высокотемпературной фурменной зоне может успешно производиться также экологически безопасное уничтожение отработанных материалов, содержащих токсические вещества, например, отработанное трансформаторное масло. Таким образом, вдувание в горн доменной печи мелкодисперсных железосодержащих материалов, рециклинг которых традиционным способом требует дополнительных энергозатрат и наносит ущерб окружающей среде, является перспективным направлением развития технологии доменной плавки. Предложение о вдувании в доменную печь таких материалов сделал в 1906 году Custodis 161. Практическое изучение этой проблемы началось лишь в 80-е годы прошлого столетия. Целесообразность и, тем более, технико-экономические преимущества вдувания в горн материалов, содержащих окисленное железо, далеко не очевидны и требуют технологического и экономического обоснования. Одним из наиболее сильных побудительных мотивов, которые стимулируют разработку этой необычной технологии, является возможность использования в доменной плавке трудно утилизируемых, мелкодисперсных металлургических отходов без их предварительного окускования и, следовательно, без соответствующих затрат финансовых, энергетических и экологических ресурсов. К таким отходам в первую очередь относится замасленная прокатная окалина.

В данной диссертационной работе впервые предложена технология рециклинга прокатной замасленной окалины и маслоотходов в виде их смеси - комбинированного жидкого доменного топлива (КЖДТ).

В лабораторных условиях проведены исследования по созданию технологии получения такого топлива, обладающего достаточной устойчивостью и текучестью для подачи его по трубопроводам, которые подтвердили эффективность и простоту реализации этой технологии 111.

Ожидаемые трудности реализации предложенной технологии и неизученность влияния КЖДТ на процессы в фурменной зоне доменной печи побудили выполнить теоретические исследования с использованием расчетно-аналитических методов и компьютерного моделирования /8,9/.

Стендовыми и опытно-промышленными испытаниями на испытательном стенде с водогрейным котлом «Ангара» и на существующей промышленной установке для вдувания трансформаторного масла в фурму доменной печи подтверждена возможность подачи КЖДТ по трубопроводам системы вдувания, распыливания его форсункой и сжигания в фурменной зоне доменной печи и в топке энергетического котла (Приложение Ж, 3).

В целом по работе можно сделать следующие выводы: Анализ существующих технологий переработки некондиционных железосодержащих материалов выделил их основные технологические и экологические недостатки. Наибольшие трудности доставляет утилизация замасленной окалины. Применяемые технологии рециклинга, ориентированные на низкотемпературные и многостадийные процессы, энергозатратны и экологически небезопасны.Для решения проблемы рециклинга окалины предложена принципиально новая технология утилизации прокатной замасленной окалины и маслоотходов путем приготовления из них КЖДТ для вдувания в фурменную зону доменной печи.Проведенными лабораторным исследованиями реологических свойств КЖДТ показано, что обязательным условием получения стабильного нерассларгеающегося КЖДТ является содержание связанной воды в маслоотходах и замасленной окалине 10-15 % и не менее 15 % соответственно. В качестве основного критерия регулирования свойств топлива выступает вязкость, отклонение которой можно корректировать изменением температурного режима приготовления и подачи топлива на сжигание. Оптимальный диапазон температуры На основе исследований реологических свойств КЖДТ для различных кошфетных производственных и экономических условий предложены четыре варианта технологической схемы производства КЖДТ: • из сырьевых компонентов с произвольным составом и характеристиками; • с постоянными реологическими и теплотехргаческими свойствами; • с максимальным содержанием замасленной окалины; • из крупной замасленной окалины.Для целей моделирования поведения 1СЖДТ в доменной печи в уравнение профессора А. Риста операционной прямой доменного процесса внесены изменения в части учета затрат тепла на нагрев компонентов КЖДТ, испарение и диссоциацию воды, а также прихода дополнительного водорода и кислорода с вдуваемыми компонентами КЖДТ. Показано, что в капле КЖДТ на протяжении пути движения в фурме частицы окалины размера частицы. Вдувание КЖДГ увеличивает количество образующихся СО и Нг в фурменном газе. Высшие оксиды железа окалины в фурменной зоне существуют только на расстоянии до 300 мм от торца фурмы, а затем переходят в жидкий монооксид, который восстанавливается до металлического железа к концу фурменной зоны.Компьютерным моделированием получены показатели доменной плавки при вдувании КЖДГ и проведен сквозной энергетический анализ. Установлено, что коэффициент замены кокса вдуваемым КЖДТ колеблется в пределах от 0,15 до 0,48 кг/кг в зависимости от состава вдуваемого топлива и вдувание КЖДТ ведет к уменьшенио суммарных энергозатрат на выплавку чугуна.Стендовыми и опьггно-промышленными испытаниями при использовании стандартного оборудования доказана возможность подачи КЖДТ и его полного сжигания в топке энергетического котла и в фурме доменной печи.

1. Курунов И.Ф., Савчук Н.А. Доменное производство на рубеже XXI века // Новости черной металлургии за рубежом. Часть П. Приложение 5. - 2000. - 42 с.

2. Курунов И.Ф. Экологические проблемы аглодоменного производства. (По материалам 4-го Европейского конгресса) // Сталь.-2001.-№9.-С. 13-14.

3. Moore СМ., Deike R., Hillmaim С Minimization of dioxin emission during sintering of iron residues // З*^** International Conference on Science and Technology of Ironmaking. Germany. Dusseldorf June 6-20. - 2003. - P. 578-581.

4. Курунов И.Ф., Тихонов Д.Н., Савчук A.H. Вдувание железорудного сырья в фурмы доменных печей расширяет возможности доменного процесса // Черная металлургия. Бюл. ин-та "Черметинформация". - 2003. - №3.- 23-35.

5. Курунов И.Ф., Тихонов Д.Н., Савчук А.Н. Вдувание флюсов в горн доменной печи для улучшения газодинамики процесса и контроля состава ч)туна // Черная металлургия. Бюл. ин-та «Черметинформация». - 2003. - №5. - 9-29.

6. Gudenau H.W., Denecke Н., Wippermann. S. Iron ore containing injection into the blast furnace // ICSTI Ironmaking conference proceedings. -1998. - P. 517-523.

7. Moore СМ., Deike R., Hillman The recycling of complex containg waste oxides//4-th European Coke and Ironmaking Congress. France. Paris La Defanse. June 19-22. - 2000. - Vol.1. - P. 408-412.

8. The Results of non-breeze sintering operation by use of millscale / Takihira К et all // Дзайре TO пуросэсу. - 1995. - Vol.8. - №4. - P. 913-918.

9. Ресурсо-экологические решения по утилизации отходов металлургического производства / B.C. Лисин, В.Н. Скороходов, И.Ф. Курунов и др. // Черная металлургия. Бюл. ин-та "Черметинформация". -2003.-№10. - 64-71.

10. Курунов И.Ф. Разработка ресурсосберегающих технологий доменной плавки на основе ее исследования и математического моделирования: Дис.докт. техн. наук в форме научного доклада. - М., 2003. - 108 с.

11. Производственный рециклинг железосодержащих шламов путем их окускования и проплавки в доменной печи (Опьгг ОАО "НЛМК") / И.Ф. Курунов, В.М. Кукарцев, И.С. Яриков и др. // Сталь. - 2003. - № 10. - 15-19.

12. Воропаев Е.М., Борисов В.М. Использование пылей и шламов металлургических заводов в агломерационном производстве // Черная металлургия. Бюл. ин-та "Черметинформация". -1980.-№1. - 3-14.

13. Method of agglomerating oil-containing steel mill waste. Patent USA №5885328.

14. Способ утилизации замасленной окалины через агломерацию. Патент РФ № 92005879.

15. Способ утилизации мелкой замасленной окалины. Патент РФ № 2080397.

16. Данилов Н.И., Сорокин Ю. В. Технология переработки техногенных образований. Фактор ресурсосбережения // Международный конгресс «300 лет Уральской металлургии». Опьгг прошлого в настоящем. ОАО «НТМК». Нижний Тагил. - 2001. - 130-132.

17. Равич Б.М. Брикетирование в цветной и черной металлургии. - М.: Металлургия. - 1975. - 232 с.

18. Буланов В.Я., Ваулин Л.В. Использование замасленной окалины // Металлург. - 2002.-№1.. 34-36.

19. Maneesh Singh, Во Bjorkman. Swelling behaviour of cement-bonded briquettes // 3-rd International Conference on Science and Technology of Ironmaking. Germany. Dusseldorf 16-20 June.-2003.-P. 359-364.

20. Zhou X., Nassaralla C.L. New Process For Recycling Iron and Zinc Units From BOP Dust // 59* Ironmaking conference proceedings. USA. Pittsburgh. Pennsylvania. March 26-29. - 2000. - P. 233-240.

21. Использование железококсовых брикетов на цементной связке в доменной плавке / А.С. Белкин, Ю. Юсфин, И.Ф. Курунов, АЛ. Травянов, Д.Н. Тихонов и др. // Металлург. -2003.-№4.-С. 39-41.

22. Курунов И.Ф., Тихонов Д.Н., Свитко СВ. Доменная печь - агрегат для получения восстановительного газа // Черная металлургия. Бюл. ин-та «Черметинформация». - 2002. - № 10.-С. 28-31.

23. Cupola furnace for the recycling of steel mill waste materials to liquid hot metal. KUTTNER. Presentation on occasion of the Russo-Ukrainian blast furnace conference. Kosice. 18.06-24.06.-2001.

24. Котенёв В.И., Китаев A.A., Барсукова Е.Ю., РУП «Белорусский металлургический завод». Опьгг использования железо-углеродо-содержащих брикетов в электросталеплавильном производстве // Металлург. - 2003.- № 1.

25. Oxygen cupola for recycling waste oxides from an integrated steel plant / Peters M., Schmole P. et all. 3-rd Intemational Conference on Science and Technology of Ironmaking. Germany. Dusseldorf 16-20 June. - 2003. - P. 349-352.

26. Производственный рециклинг железосодержащих шламов путем их окускования и проплавки в доменной печи (опыт ОАО НЛМК) / И.Ф. Курунов, В.М. Кукарцев, И.С. Яриков и др. // Сталь - 2003. - № 10 - 15-19.

27. Bruin de Т., Sundqvist 1. Brequetting - One Way of Treating By-Products at SSAB Tunnplat in Lulea // 2™* International Congress on the Science and Technology on Ironmaking and 57*^ Ironmaking conference Proceedings. Toronto. Canada. - 1998.

28. Кузнецов B.K. Ввод в эксплуатацию опытно-промышленной линии брикетирования окалины // Сталь. - 2003. - №7. - 96-97.

29. Курунов И.Ф., Савчук Н.А. Состояние и перспективы бездоменной металлургии железа. - М.: Черметинформация. — 2002. - 198с.

30. Мовчан В.П., Ванюкова Н.Д., Ковалев Д.А. Промышленные испыгания технологии производства железорудных окатышей с добавлением замасленной окалины прокатных цехов // Горный журнал. - 2001. - №9. - 68-70.

31. Использование железной окалршы для производства топливо-плавильных материалов / В.Ф. Гончаров, В.М. Егоров, Т.Ф. Медведева, М.В. Семененко // Черная металлургия. Бюл. ин-та «Черметинформация». - 1977. - № 13. -

32. Comet - new coal-based process for the production of DRI / R. Munnix, J. Borlee, D. Steyls et all // MTR Intemational. - 1997. - № 2. - P. 50-52, 54, 56, 58, 62.

33. The Comet process - DRI from fines and coal / J. Borlee et all // Steel Times. -1996. - № 11.-P. 399.

34. PRINUS, a new process for the recycling of be-products and the preproduction of iron ore / R. Frieden, T. Hansmann, J. Monai et all // 4* European Coke and Ironmaking Congress. France. Paris. La Defance. Vol. 2. June 19-22. - 2000. - P. 504-509.

35. New process for recycling steelmaking wastes and pre-reduction of iron / T. Hansmann, R. Frieden, J. Monai et all // MILLENNIUM STEEL. The leading review of advanced process technology world-wide. - 2001. - P. 105-110.

36. COMET: un procede utilisant du charbon hour produire une eponge de fer qualite a partir de minerai de fer / J. Boriee, D. Steyls, R. Colinet all // Revue de Metallurgie. - 1999. - № 3. - P. 332-339.

37. Recycling of zinc bearing with the PRIMUS Process / R. Heard, T. Hansmann et all. // 61-st Ironmaking Conference Proceeding. USA. Nashville. Tennessee. March 10-13. - 2002. - P. 683-692.

38. Курунов И.Ф. Перспективы использования в доменной печи неокускованных железосодержащих материалов // Металлург. - 2003. - №5. - 37-44.

39. Курунов И.Ф. Исследование эффективности десиликонизации чугуна при вдувании железорудных материалов в доменную печь // Металлург. - 2003. - №6. - 40-44.

40. Гуденау Г.В., Випперманн Ш., Московчук В.П. Исследования по вдуванию железорудной мелочи в доменную печь // Сталь. - 1996. - № 2. - 9-11.

41. Yamagata Development of ultra combined blasting for blast furnace // CAMP ISIJ. - 1991.-Vol. 4.-P. 1020-1023.

42. Yamagata C. Actual test results on simultaneous injection of pulverized coal and fine ore into tuyere at Wakayama № 3 BF // CAMP ISIJ. -1991. - Vol. 4. - P. 144.

43. Kushima K., Naito M., Tamura K. Iron ore injection into blast fiimace raceway // Proceedings of the 47th Ironmaking Conference. Canada. Toronto. - 1988. - P. 457-466.

44. Iron ore injection experiment at № 5 blast furnace of Chiba works, Kawasaki Steel Corporation / Y. Takashima et all // Tetsu-to-Hagane. - 1987. - Vol. 73. - № 12. - P. 49.

45. Iron oxide injection into blast furnace / T. Ham et all // Tetsu-to-Hagane. - 1983. - Vol. 69.-№12.-P. 80. ^ 60. Iron oxide injection through blast furnace / T. Fukura et all // Tetsu-to-Hagane. - 1985. -Vol.71.-№4.-P. 88.

46. Tuyere injection test of iron oxide at Wakayama № 4 blast furnace of Sumitomo Metal Industries, Ltd. / Y. Miruno et all // Tetsu-to-Hagane. - 1984. - Vol. 70. - № 4. - P. 35.

47. Iron ore injection into the blast furnace and control of hot metal silicon / G. Brun, R. NicoUe, J.M. Steiler et all //La Revue de Metallurgie-CIT. - 1988. - №1. P. 21-32.

48. Multipurpose injection at Chiba № 5 blast fumace / M. Saino, K. Y. Okumura, Ikeda et all // Proceedings of the 45* Ironmaking Congress. - 1986. - P. 519-526.

49. Cartwright D., Clayton G. Recycling oily millscale and dust by injection into the EAF //

50. Steel Times International. - 2000. - 24. - №2. - P. 42-43.

51. Данилов E.B. Экономичный способ утилизации в ДСП металлургической и прокатной окалины по технологии Sitfer // Металлург. - №5. - 2003. - 49-50.

52. Северденко В.П., Макушок Е.М., Равин А.Н. Окалина при горячей обработке металлов давлением. - М.: Металлургия. - 1977. - 208 с.

53. Михеев В.А., Павлов A.M. Гидросбив окалины в прокатных цехах. - М.: # Металлургия. -1964. - 108 с.

54. Грудев А.П., Тилик В.Т. Технологические смазки в прокатном производстве. - М.: Металлургия. -1975. - 368 с.

55. Справочник. Теплофизические свойства топлив и шихтовых материалов черной металлургии / Бабошин В.М., Кричевчов Е.А., Абзалов и др. - М.: Металлургия. - 1982. -152 с.

56. Сырье для черной металлургии: Справочное издание: В 2-х т. Т.2. Сырьевая база и производство окускованного сырья (сырье, технологии, оборудование) / М.Г. Ладыгичев и др. ^ - М.: Машиностроение - 1. - 2001. - 896с.

57. Булгаков В.Г. Булгаков Г.В. Исследование мршералогического состава окалино- углеродистых брикетов в процессе восстановления // Известия вузов. Черная металлургия. -1998.-№7.-С. 16-19.

58. Инженерная защита окружающей среды / Под общей редакцией Ю.А. Бирмана, Н.Г.Вурдовой. - М.: Издательство АСВ. - 2002. - 296 с.

59. Буланов ВЛ., Ваулин Л.В. Использование замасленной окалины // Металлург. - 2002.-№1,-С. 34-36.

60. Федеральный классификационный каталог отходов, утвержденный приказом МП? РФ от 2.12.02 г. №786.

61. Дополнения в федеральный классификационный каталог отходов, утвержденные приказом МПР РФ от 30.07.03. № 663.

62. Смазочные материалы и проблемы экологии / Евдокимов А.Е., Фукс И.Г., Шабалина Т.Н.и др. - М.: ГУП Издательство «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2000. - 424 с.

63. Руденко Б.А., Шлихтер Э.Б. Полициклические ароматические углеводороды и их влияние на окружающую среду. - М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1994.

64. Трофименко Ю.В. Экологические проблемы при эксплуатации автомобильного транспорта // Экология и промыщленность России. - 2002. - № 4. - 25-27.

65. Бродский А.К. Краткий курс общей экологии. - СПб: Изд-во СПб университета, 1992.-150 с.

66. Федоров Л.А. Диоксины как экологическая опасность: ретроспектива и перспективы. - М.: Наука, 1993. - 266 с.

67. Бернадинер М.Н. Диоксины при термическом обезвреживании органических отходов // Экология и промышленность России. - 2002. - №2. - 13 - 16.

68. De novo formation characteristics of dioxins in dry zone of an iron ore sintering bed / K. Suzuri, E. Kasai, T. Aono et.al. // Chemosphere. - 2004. - Vol. 54. - P. 97 - 104. #

69. Путько А.В., Путько Е.В. Международный симпозиум «Техника и технология экологически чистых химических производств» // Тезисы докладов. Москва. 21-23 Октября. -1996. - 48.

70. Cocchiarella Е,, Foebel D. Environment and safety issues in Blast Furnace Ironmaking // An Intensive course Blast Furnace Ironmaking. Canada. Hamilton. Ontario. McMaster University. June 2002. - Vol. 1. - Lecture 3. - P. 1-52.

71. Зайцев A.K., Леонтьев Л.И., Юсфин Ю.С. Анализ формирования экотоксикантов в термических процессах. РАН. УрО. Екатеринбург. - 1997. - 84с.

72. Способ утилизации замасленной окалины / B.C. Лисин, В.Н. Скороходов, И.Ф. Курунов, В.П. Настич, Е.А. Самсиков, В.М. Кукарцев, А.И. Кононов, Ф. Ерохин, Д.Н. Тихонов // Решение о выдачи патента от 24.06.2004 г. Заявка № 2003134040.

73. Способ утилизации мелкой замасленной окалины/ B.C. Лисин, В.Н. Скороходов, И.Ф. Курунов, В.П. Настич, В.М. Кукарцев, Е.А. Самсиков, А.И. Кононов, Ф. Ерохин, Д.Н. Тихонов // Решение о выдачи патента от 24.06.2004 г. Заявка №2003134041.

74. Иванов В.М. Топливные эмульсии. - М.: Изд. А.Н. СССР. - 1962.

75. Делягин Г.Н., Ерохин Ф., Петраков А.П. ЭКОВУТ - новое экологически чистое топливо XXI века // Сб. трудов международной научной конференции и школы семинара ЮНЕСКО «Химия на рубеже тысячелетий». Клязьма. - М.: Изд-воМГУ, 2000. - 4.1. - 101-105.

76. Делягин Г.Н. ЭКОВУТ - новое экологически чистое топливо XXI века. Альтернатива традиционному органическому топливу // Сб. докладов НТС АО «Свердловэнерго». 6-8 Июня. Екатеринбург. - 2000.

77. Экологически чистое топливо из угля / Г.Н. Делягин, В.В. Корнилов, Ю.А. Чернегов и др. //Экологическое развитие. -1992, - №2. - 49-52.

78. Делягин Г.Н., Каган Я.М., Кондратьев А.С. Жидкое топливо на основе угольных суспензий: возможности и перспективы использования // Российский химический журнал. -1994.-№3.-С. 22-27.

79. Делягин Г.Н., Загорский Л. Как поднять конкурентоспособность российских углей? // Уголь. - 1997. - №2.

80. Курунов И.Ф., Делягин Г.Н., Мацак И.А. ЭКОВУТ - альтернативное топливо для доменной плавки // Металлург. - 1996. - № 4. - 26-27.

81. Энергетическое топливо СССР. Справочник. - М.: Энергоатомиздат. - 1991.

82. Гун Р.Б. Нефтяные битумы. - М.: Химия. - 1973.

83. Адамов В.А. Сжигание мазута в топках котлов. - Л.: Недра. - 1989.

84. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: Наука. - 1973.

85. Ерохин Ф., Делягин Г.Н. О влиянии грансостава твердой фазы на характеристики водоугольного топлива // Проблемы аксиоматики в гидро-газодинамике. — 2002.-№10.

86. Уилкинсон У.Л. Неньютоновские жидкости. - М.: Мир. - 1964. 107. «Опытно-промышленный углепровод Белово-Новосибирск». Материалы проекта, НПО «Гидротрубопровод», «Снампроджетти», Москва, 1985-1989г.

87. Состояние знаний о доменной печи. А. Рист и др. Экспресс-информация ВИНИТИ, серия "Черная металлургия". - 1967. - №26. - реф. 106. - 1-31.

88. Себиси Т., Брэдшоу П. Конвективный теплообмен. Физические основы и вычислительные методы: Пер. с англ. - М.: Мир, 1987. - 592 с.

89. Термодинамические свойства индивидуальных веществ: Справочное издание в 4-х т./ Л.В. Гурвич, И.В. Вейц, В.А. Медведев и др. - М.: Наука, 1982.

90. Йориш B.C., Белов Г.В., Юнгман B.C. Программный комплекс ИВТАНТЕРМО для Windows и его использование в прикладном термодинамическом анализе // Препринт ОИВТАН №8-415. - 1998. - 56 с.

91. Ефименко Г.Г., Гиммельфарб А.А., Левченко В.Е. Металлургия чугуна. Киев.: Выща школа, 1988. - 350 с.

92. Металлургия чугуна / Е.Ф. Вегман, Б.Н. Жеребин, А.Н. Похвиснев и др. - М.: Металлургия, 1989. - 512 с.

93. Бабошин В.М., Удилов В.М. Применение мазута в доменных печах. - М.: Металлургия, 1983. - 144 с.

94. Курунов И.Ф., Ященко СБ. Методика расчета технико-экономических показателей доменной плавки/ТНаучные труды МИСиС. -1983. - № 152. - 63-69. 'f

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

96. Методология и информационное обеспечение сквозного энергетического анализа/ Лисиенко В.Г. и др. - Е.: УГТУ, 2001. - 97 с.