Производство брикетов из коксовой пыли и мелочи АО «РУСАЛ Сая-ногорск» для черной металлургии

СОДЕРЖАНИЕ

1. Цели и задачи исследования - 3

2. Методы исследования - 3

3. Анализ возможных путей использования аспирационной коксовой пыли - 4

4. Укрупнение аспирационной коксовой пыли - 7

4.1. Применение пекового остатка - 7

4.2. Использование тяжелых остатков переработки - 8

4.3. Применение минеральных связующих - 8

4.4. Полимерные материалы - 9

4.5. Цемент - 9

5. Технологические схемы процесса укрупнения аспирационной коксовой пыли - 9

6. Вывод - 13

1 Цель и задачи исследования

Цель исследования — разработать технологию брикетирования коксовой пыли для нужд черной металлургии исключить загрязнение окружающей среды, вызываемое захоронением коксовой пыли на полигоне.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ путей использования аспирационной коксовой пыли и мелочи.

2. Провести химический анализ аспирационной пыли и мелочи на всех участках производства электродов.

3. Разработать технологии укрупнения аспирационной пыли и мелочи в лабораторных условиях.

4. Изучить свойства полученных брикетов.

5. Выполнить экономический расчет для подтверждения эффективности и целесообразности внедрения предлагаемых решений.

2 Методы решения задач

В ходе работы сделано

— выполнен анализ современной технической литературы в выбранном направлении исследований;

— проведены лабораторные испытания по брикетированию коксовой пыли и мелочи с различными видами связующего;

— выполнены исследования физико-механических и теплофизических характеристик брикетов;

— сделана предварительная экономическая оценка эффективности предлагаемых решений.

3. Анализ возможных путей использования аспирационной коксовой пыли

Известно, что при сжигании топлива на базе коксовой мелочи КПД топочных устройств повышается на 25-35%, выбросы сернистых снижаются на 15-20%, в вдвое снижаются выбросы твердых веществ с дымовыми газами, а так же на 15-20% снижается недожог горючих компонентов. Но это положение касается коксовой мелочи, т.е. кокса, имеющего фракционный состав от 1 до 5 мм. В этом случае на топливо-сжигающих устройствах можно получить такой эффект. В нашем случае необходимо помнить о фракционном составе пыли, а так же о том, что аспирационная пыль, образующаяся в процессе получения обожженных анодов, по своим теплофизическим характеристикам отличается, от традиционного каменноугольного кокса. Так, если начало температуры горения кокса составляет 560 ^°С, то материал отработанного анода (анод электролизера с верхним токоподводом) −620 ^°С, а коксовой пыли еще выше (по некоторым данным — температура начала горения коксовой пыли может достигать 700-750 ^°С). Такое различие в теплофизических свойствах металлургического кокса и кокосовой пыли алюминиевых заводов не позволяет непосредственно использовать кокосовую пыль для сжигания, а требует проведения опытно-промышленных испытаний с подбором состава горючей смеси для конкретного топливо-сжигающего устройства. В случае получения положительных результатов коксовую пыль можно будет рекомендовать в качестве присадки (добавки) к основному угольному топливу для таких энергоемких производств, как производство цемента.

В настоящее время цементные заводы, использующие ранее мазут, переходят на твердое топливо.

Другим возможным потребителем подготовленной коксовой пыли может являться черная металлургия.

По физическим свойствам брикеты металлургические должны:

— обладать атмосфероустойчивостью (при хранении на воздухе не подвергаться атмосферному влиянию, не разрушаться от сырости, тепла и холода);

— обладать механической прочностью, то есть в достаточной степени сопротивляться удару и истиранию (выдерживать перевозку и перегрузку с образованием минимального количества пыли и мелочи);

— обладать достаточной пористостью, так как от степени пористости зависит скорость восстановления руды, а в cвязи с этим и производительность печи (брикеты для доменной и шахтной плавки);

— обладать плотностью и большим удельным весом;

— содержать минимальное количество влаги, так как влажность ухудшает газопроницаемость брикетов, а на испарение ее требуется дополнительный расход горючего;

— быть термоустойчивым и выдерживать в печи под определенным давлением, не разрушаясь, температуру 800-1000 ^°С.

В черной металлургии к брикетам предъявляются специальные требования в соответствии с их назначением, т.е. в зависимости от способов их применения.

Так, например: материал пробы 4 (таблица 2) может быть использован, для корректировки состава стали способом, когда недостающий в стали, углерод вдувают в расплав в виде измельченного графита или коксовой мелочи фракции 1-3 мм или 3-5 мм. В этом случае требование к этим материалам касаются в основном механической прочности (не образовывать пыль во время подъемно-транспортных операций) и постоянству химического состава.

Учитывая расход топлива на цементных заводах (5,0 — 7,0 тыс. т/год на одном цементном заводе и углеродсодержащих восстановителей на металлургических комбинатах (до 200,0 тыс. т/год в ЗСМК), можно заключить, что один из возможных потребителей коксовых пылей, может полностью использовать кокосовую пыль, образующуюся на всех алюминиевых заводах РУСАЛа.

4. Укрупнение аспирационной коксовой пыли

Разработка технологии укрупнения аспирационной коксовой пыли в лабораторных условиях сводилось в основном к подбору связующего с вовлечением композиции отходов с других производств.

В качестве связующего были опробованы:

— полимерные материалы;

— тяжелые остатки нефтепереработки (смолы пиролиза, остатки масляного производства — экстракты с установки селективной очистки, асфальты с установки деасфальтизации, гудроны, а так же товарные битумы);

— пековый остаток из термоцистерн для перевозки пеков;

— жидкое силикатное стекло;

— цемент.

Для придания агломерату большей пористости, а, следовательно, более высокой химической активности в некоторых случаях в композиции вводился лигнин, отход гидролизной промышленности.

Ниже приведены основные результаты проведенных исследований.

4.1. Применение пекового остатка

На ряде алюминиевых заводов, особенно оснащенных старыми пунктами приема термоцистерн, ежегодно образуется значительное количество пекового остатка — неиспользуемого отхода производства. Так на БрАЗе — количество пекового остатка составляет до 200 т/год. Поэтому были сделаны эксперименты по вовлечению этих отходов в производство.

Коксовую пыль вводили в расплавленную массу при постоянном перемешивании. Соотношение пековой массы и коксовой пыли составляло 1:2÷4. Масса хорошо совмещалась при перемешивании с образованием гранул размером 2-5 мм. На лабораторном экструдере легко получались брикеты диаметром до 35 мм. Температура процесса 160-180 ^°С.

4.2. Использование тяжелых остатков нефтепеработки

Для снижения температуры деформирования агломератов на основе пекового остатка и коксовой пыли в композиции вводились тяжелые нефтяные остатки.

Так, введение битума позволило снизить температуру смешения компонентов на 20-30 ^°С в зависимости от количества введенного битума. Для этой цели предварительно готовился состав: пековый остаток: битум в соотношении 1:1÷3 после чего вводилась коксовая пыль в пятикратном количестве по отношению к расплаву. В результате получался гранулят размером частиц 5-10 мм.

Проведены работы по грануляции коксовой пыли введением ее в смолу пиролиза и остатки масляных производств. Эти материалы являются неиспользуемыми отходами заводов полимеров и нефтеперерабатывающих предприятий.

Более низкая вязкость тяжелых нефтяных остатков по сравнению с пековыми остатками позволяет вводить в состав композиций большее количество кокосовой пыли вплоть до десятикратного соотношения.

4.3.Применение минеральных связующих.

Использование в качестве связующего, жидкого стекла разной концентрации позволяет изменять количество вводимой коксовой пыли от 60 до 70 %. При образовании агломератов формирование гранул протекает во времени, в зависимости от пленкообразования силикатного вяжущего. После формирования гранул (брикетов) требуется сушка, и выдержка по времени.

4.4.Полимерные материалы

Легко перерабатываемые композиции могут быть получены при использовании в качестве связующего полимерных материалов. Это могут быть полиэтилен, полистирол, метилцеллюлоза и полиэфирные полимеры.

При приготовлении агломератов использовались водные растворы метилцеллюлозы различной концентрации, что позволяет регулировать вязкость связующего и соответственно количество коксовой пыли.

Наиболее оптимальным является 5-10%-ная концентрация метилцеллюлозы в воде. Количество вводимой коксовой пыли в композицию составило до 80%. Размер гранул 3-7 мм.

На базе водных растворов поливинилацетата были получены композиции с содержанием коксовой пыли до 90%.

4.5.Цемент

Известно, что ряд металлургических брикетов получает с использованием цемента. В нашем случае цемент смешивался с пылью, заливался водой, перемешивался до получения сметанообразной массы и присовывался. Полученные образцы высушивались при t = 80 ^°С. Материал получался не технологичным, коксовая пыль плохо смешивалась с раствором. Готовые образцы осыпались, были не прочными.

5. Технологические схемы процесса укрупнения аспирационной коксовой пыли

Как было сказано выше, аспирационная коксовая пыль может быть использована (за небольшим исключением) в процессах сжигания твердого топлива (например, на цементных заводах) и в черной металлургии. В лю-бом случае готовый продукт для алюминиевого завода должен представлять собой мелкодисперсный продукт фракции 1-10 мм, и только при

использовании его в крупных агрегатах типа доменных или шахтных печей он должен быть крупностью 30-100 мм.

Для получения агломератов коксовой пыли фракции 1-10 мм предпочтительно использовать полимерные связующие. Тогда технологическая схема будет состоять в следующем (рис.1).

Полимерное связующее смешивается с водой. Полученный раствор подается в якорную мешалку. Куда одновременно дозируется коксовая пыль. Через 10-15 мин в якорной мешалке образуется сухая масса, представляемая в основном гранулами 1-10 мм. Возможно, что на этом процессе укрупнения коксовой пыли может закончиться. Тогда якорная мешалка опрокидывается, выгружается готовый материал и поступает на склад. Если по ТУ требуется более высокое механическая прочность, то материал из якорной мешалки поступает в экструдер-гранулятор, а затем на склад.

Во время этого процесса раствор полимерного связующего и якорная мешалка должны быть нагреты до 40-60 ^°С. Это достигается путем пропускания через рубашки оборудования горячей воды.

Для получения более крупных частиц коксовой пыли необходимо использовать в качестве связующего — пековый остаток термоцистерн.

Тогда технологическая схема будет выглядеть следующим образом

Пековый остаток загружается в бункер 1, где расплавляется за счет пара или электрообогрева, затем дозируется в якорную мешалку, куда подается коксовая пыль.

Тщательно перемешанная масса загружается в экструдер-гранулятор, и после охлаждения готовый продукт поступает на склад.

Эта схема требует значительных энергозатрат, т.к. все оборудование должно работать при температурах 160-180 ^°С.

Рисунок 1 — Принципиальная технологическая схема получения агломератов кокса.

1 — Система водоснабжения (существующая);

2 — Бункер полимерного связующего, объем −1 м³;

3 — Бункер коксовой пыли (существующий);

4 — Расходомер воды (расход воды 0 — 100 л/час);

5 — Дозатор сухого полимерного связующего, расход 0 — 10 кг/час;

6 — Дозатор коксовой пыли (до 500 кг/час);

7 — Бак с мешалкой, объем 200 л;

8 — Смеситель СМКС-200, изготовитель — Фастовский завод «Красный Октябрь»;

9 — Экструдер — гранулятор 021В;

10 — Сушилка;

11 — Бункер — сборник готовой продукции.

6. Выводы

На основании приведенных выше данных можно сделать следующие заключения:

1. Для укрупнения частиц коксовой пыли можно использовать в качестве связующего:

— отходы производства полимеров;

— пековые остатки термоцистерн используемые для перевозки пека.

Первый вид связующего пригоден для получения частиц коксовой пыли размером 1-10 мм, второй для получения более прочных и более крупных (35-100 мм) фракций коксовой пыли.

2. Выбор связующего будет зависеть от места применения коксовой пыли у потребителя и определяться окончательно при разработках ТУ на опытную партию.

3. Хотя набор основного оборудования для производства агломератов коксовой пыли практически идентичен, но, учитывая энергозатраты, предпочтительнее использовать в качестве связующего полимерные материалы.