Физико-химические характеристики технологических отходов, принципиальные схемы их использования

Дата добавления: 2014-05-20 | Просмотров: 1573

К технологическим отходам, обладающим запасом физической теплоты, относятся: отвальные шлаки черной и цветной металлургии, топливные шлаки, образующиеся при высокотемпературных процессах горения топлива с жидким шлакоудалением, огарки из колчеданных печей серно-кислотного производства, вода непрерывной и периодической продувки котлов и систем испарительного охлаждения и др. Основным видом технологических отходов являются отвальные шлаки. Шлаки представляют собой металлургический расплав различных оксидов, получающийся при пирометаллургических процессах выплавки, рафинирования и переплавки металлов, их сплавов, штейнов, шпейз и пр. Шлаки образуются из пустой породы руд или рудных концентратов, из добавляемых флюсов, из продуктов реакций раскисления или окисления, из оксидов получаемого металла, золы топлива, а также из продуктов разъедания футеровки. Наибольшее количество шлаков с высокой температурой, достигающей 1473...1873К, образуется в процессах черной и цветной металлургии (табл. VIII. 1). Относительная величина потери теплоты со шлаками в процессах цветной металлургии имеет высокое значение, достигающее в отдельных случаях 35%. Однако абсолютная величина этой потери в черной металлургии намного больше, чем в цветной, в свя¬зи с крупномасштабным производством.

Эффективность и методы использования физической теплоты жидких шлаков зависят от режима выдачи шлака, его состава и теплофизических свойств. Периодичность выдачи шлака затрудняет процесс использования его как источника ВЭР, однако при наличии на современных заводах нескольких металлургических печей и специальных копильников этот недостаток можно устранить.

Состав шлаков в различных металлургических процессах разнообразен и может изменяться в пределах одного и того же процесса и агрегата при изменении состава шихты. Шлаки могут содержать агрессивные компоненты, например сернистые соединения, которые вызывают интенсивную коррозию металла. Различают шлаки основные с преобладанием основных оксидов и кислые с преобладанием кислотных оксидов. Показателем является отношение суммы основных оксидов к сумме кислотных, взятых в процентах по массе. По сравнению с металлом шлаки имеют небольшую плотность, поэтому они всплывают и находятся на поверхности метал¬лургического расплава, что создает благоприятные условия для их выпуска. Величина плотности шлака является функцией плотности его компонентов.

Наибольшее влияние на плотность шлака оказывают тяжелые компоненты: FеО, Fе₂O₃ и МпО.

При использовании физической теплоты шлаков необходимо учиты¬вать теплофизические свойства шлаковых расплавов: теплоту и температуру плавления, вязкость, энтальпию.

Теплота плавления шлаков зависит от их содержания и колеблется в пределах от 40 до 200Дж/кг.

Температура плавления шлаков представляет собой растянутый интервал, при котором шлаки из пластического состояния переходят в жидкое. Разница между температурами начала плавления и полной жидкоплавкости является функцией кислотности шлака. Чем выше кислотность шлака, тем больше интервал плавления (рис. VШ. 4).

Рис. VIII.4. Зависимость величины интервала плавления от степени кис­лотности шлака:

1 – кривая температур жидкоплавкости; 2 – кривая температур начала плавле­ния.

Вязкость шлаков зависит от их состава, наличия в них нерастворен- ных твердых частичек и температуры. Гетерогенные шлаки имеют большую вязкость, чем гомогенные. Вязкость жидких кислотных оксидов в тысячу раз выше вязкости расплавленных основных оксидов. Поэтому степень текучести шлаков, оказывающая влияние на условия истечения расплава и отделения шлака от металла, а также на застывание шлака при охлаждении, зависит от соотношения количеств извести и кремнезема. С повышением температуры вязкость всех видов шлаков уменьшается, но быстрее уменьшается вязкость основных и железистых шлаков.

Большое количество шлака образуется при сжигании твердого топлива в топках котлов тепловых электростанций. Топливные шлаки представляют собой эвтектики, образованные из SiO₂, СаО, FеО, Fe₂S, МgО, в которых растворен Аl₂O₃. Из топочных устройств шлак выводится в основном в гранулированном (сухом) виде. При этом физическая теплота шлака отводится с водой шлаковых затворов или смывной водой. В настоящее время теплота топливных шлаков не используется, а в системе пневматического золоудаления на транспортирование шлака расходуется пар в пароструйных эжекторах. В тепловом балансе котла отвод с физической теплотой шлаков при сухом шлакоудалении составляет 0,1...0,2%, при жидком – 1,0...1,5%.

При среднетемпературном (1073...1123К) обжиге серного колчедана из колчедановых печей в качестве технологического отхода выдаются твердые огарки, представляющие собой шлакообразную массу. При высокотемпературном обжиге (1623...1673К) огарки выгружаются в расплавленном состоянии.

Шлаки используют в трех направлениях: технологическом, теплотехническом и комплексном энерготехнологическом. При использовании в технологическом направлении шлак рассматривается как сырье для производства различных изделий, строительных материалов и минеральных удобрений. Теплотехническое направление предусматривает использование только физической теплоты шлака. В комплексном энерготехнологическом направлении теплоноситель, охлаждающий шлак, используется для энергетических нужд, а остывший шлак подвергается переработке для получения технологического продукта.

Поскольку шлаки переходят в твердое состояние при высоких температурах (1173...1273К), использование основного количества теплоты их должно происходить в твердой фазе, что практически возможно только при гранулировании шлака.

Среди различных по принципу и конструктивному исполнению решений использования физической теплоты шлака можно выделить следующие:

1. Использование теплоты воды при грануляции шлака для целей теплофикации.

2. Использование теплоты шлака на нагрев воздуха, поступающего для горения топлива.

3. Использование теплоты пара, получаемого при грануляции шлака водой, в работе абсорбционных холодильных машин.

4. Использование теплоты шлака при воздушной его грануляции для выработки пара высоких параметров,

Для целей теплофикации теплота воды при грануляции шлака используется на некоторых заводах цветной металлургии. По одной из схем (рис. VIII.6) шлак из электропечи 1 с температурой около 1623 К поступает в желоб 2, в котором гранулируется оборотной водой, подаваемой насосом 7. Гранулированный шлак вместе с водой поступает в отстойник 3. В этом отстойнике оседает основная масса гранул, а вода по трубопроводу перетекает в следующий отстойник 4, в котором осаждаются мелкие частички шлака. Далее нагретая шлаком вода самотеком перетекает в цистерну-аккумулятор 6, где нагревает в теплообменниках 5 воду для отопления и душевых. Установки такого типа дают значительную экономию топлива в замещаемой котельной, однако имеют ряд недостатков. Основными недостатками являются: сезонность использования теплоты шлаков, низкая температура нагрева теплофикационной воды, интенсивная коррозия Металла в контуре загрязненной воды и необходимость частых чисток теплообменников от заноса их шлаком.

Рис. VIII.6. Схема использования теплоты воды при грануляции шлака.

Использование теплоты шлака на нагрев воздуха представляет значительный интерес, как с энергетической, так и с технологической позиций. Это поясняется тем, что при воздушной грануляции жидкого шлака воздух можно нагреть до высокой температуры (1173...1273К) и использовать не только как горячее дутье при горении топлива с низкой теплотой сгорания, но и как теплоноситель для получения пара в парогенерирующей установке. Гранулированный же сухим методом шлак является ценным материалом для строительной промышленности. Однако следует отметить, что высокоэффективным и надежным в эксплуатации методом воздушной грануляции для крупномасштабного производства промышленность в настоящее время не располагает.

Основной трудностью при воздушной грануляции шлака является дробление струи жидкого шлака на однородные по размерам и форме шлаковые гранулы. В современных установках для этой цели применяются механический и пневматический методы.

В установке, разработанной Уральским политехническим институтом (рис. VIII. 7), струя жидкого шлака 1 направляется на лопасти медного пропеллера 2, вращающегося со скоростью 3000 об/мин. Раздробленная пропеллером струя; шлака в скруббере 3 охлаждается воздухом, поступающим из циклона 7 с температурой 500 К. В циклоне 5 шлак отделяется от воздуха и поступает для окончательного охлаждения в скруббер 6. Горячий воздух 4 с температурой 873 К из циклона 5 направляется к потребителям, а холодный – вентилятором 9 в скруббер 6. Гранулированный шлак Я с гранулами размером 0,5 мм и температурой 400 К выгружается из циклона 7. Производительность установки составляет Ю т шлака в час при высоте скрубберов 10 м и диаметре скруббера 3 – 0,5 м, скруббера 6 – 0,4 м.

Рис. VI11.7. Схема установ­ки воздушной грануляции шлака.

Анализ работы различных установок первичной переработки шлака многотоннажных производств приводит к выводу, что использование физической теплоты шлака следует рассматривать одновременно с улучшением технической переработки и транспортировки его от плавильных печей. С этой точки зрения грануляция шлака водой и гидротранспортировка его от плавильных печей является наиболее перспективной. Институтом Гипростройматериалы и Киевским политехническим институтом разработана установка грануляции доменного шлака водой с последующим использованием получаемого при грануляции пара в абсорбционных холодильных машинах.

Шлак из доменной печи 1 (рис. VIII.8) с температурой 1673...1873 К периодически сливают в копильник 2. Далее шлак попадает в желоб 3, где под давлением водяной струи гранулируется. Полученная при этом шлаковая пульпа поступает в бункер 4, откуда багерными насосами 5 перекачивается на склад гранулированного шлака.

Часть воды при гранулировании шлака испаряется, образуя влажный насыщенный пар, который очищается от сероводорода в аппаратах 6 барботажной промывкой через раствор едкого натра. После очистки пар давлением 0,15 ИЛИ 0,7 МПа направляется в абсорбционную холодильную установку 7. Холодильный агент (рассол) подается в летнее время в охладитель атмосферного воздуха 8, всасываемого доменной воздуходувкой 9. В зимнее время весь полученный пар можно использовать на нужды теплофикации.

Рис. VIII.8. Схема установки грануляции доменного шлака водой и использования получаемого пара в абсорбционных холодильных машинах.

Описанная установка наряду с использованием физической теплоты шлаков осуществляет бесковшовый способ уборки шлака от доменных печей, а также устраняет одну из наиболее серьезных причин, вызывающих систематическое загрязнение атмосферы вблизи от крупных металлургических предприятий.