Вторичные ресурсы предприятий черной металлургии
1. Предприятия с замкнутым металлургическим цехом (на входе имеют всё для производства сырья, заканчивая термической обработкой) – интегрированные (за рубежом).
2. С незамкнутым (как правило, нет доменных цехов и коксохим), процессы начинаются со сталеплавильного + прокатка.
Мы будем рассматривать с полным металлургическим циклом.
Энергетические ресурсы
Это топливныеэнергетические ресурсы.
1. Кокосовый газ
Искусственное топливо, без которого не может быть реализован процесс получения чугуна – кокс. Вторичный продукт – коксовый газ.
Коксовый газ – богатый 80-90 % горючие компоненты, в качестве которых выступают: водород 50%, метан (25%), СО – 6%, углеводороды CmHn – 2-2,5 %.
Выход газа – 350 м3/т кокса
1 батарея 1500 тонн в сутки.
Для того, чтобы получить качественный коксовый газ надо подвергнуть его глубокой очистки и от вредных загрязнителей: серводород, оксид углерод, парообразные и капельные вещества – ценные химические продукты, их более 100.
2. Доменный газ
Относят к бедным газам, горючие компоненты – СО 25%, водород 5%, метан - 0,5%, для печей с добавлением углеводорода.
Теплота сгорания 3,5 Дж/ м3
Выход – 2,5 тыс м3/т чугуна.
25% - на нагрев дутья доменных печей, остальное на нагревательные печи. Если избыток, то сжигают на ТЭЦ, нагрев цехов, душевых.
3. Конвертерный газ
С ним большие проблемы: количество оксидов углеродов достигает 90%, а выход газа – 70 м3/т стали. Во время продувки образуется этот газ, а это занимает непродолжительное время – 25 минут, остальные 40-45 минут не образуется, проблема в периодичности формирования газа, отсюда его проблема использования. Нет заводов, которые используют этот газ для технологических процессов. Его отправляют на котел утилизатор – пар, нагрев и так далее.
Можно в шихту ввести более 2 тонн окатышей в конвертер и снизить расход на 370 м3 за плавку. Удается повысить годности металла. Подогрев шихты.
4. Газ ДСП – технологический
Интересен для мини заводов. Используют: подача угольной пыли, кислорода, поднятие температуры за счет горения факелов. Получаются неполные продукты горения: СО, С, метан. Также сюда горение электродов – образование СО. Этот газ целесообразно использовать, его сегодня за рубежом используют для подогрева металлической шихты и сыпучих материалов.
Лом для подогрева должен прийти специальную подготовку: размеры.
Нагрев лома в бадьях. Выход газа на тону стали – 85 м3, температура 1700-1750, объем выбросов на тонну 8000 м3/ч.
5. Газ ферросплавных печей
Ферросплавы – сплавы легирующих компонентов, с помощью которых сталь приобретает потребительские свойства и качества. Есть массовые: ферросилиций, используется для поглощения кислорода, растворенный в стали, для трансформаторов, ферромарганец - и для легирования и связывания кислорода, силикомарганец, феррохром – для нержавеющих жаропрочных сталей.
Газ формируется за счет, богат оксидом углерода 80%, водород 4%, метан образует при выплавке ферросилиция. Теплота сгорания 10 МДж, выход 800 м3/т. Газ можно использовать, только если выплавка осуществляется в закрытых печах, тогда образование газов можно направить в подогреватель шихты.
Чтобы обеспечить нормальный подогрев, надо чтобы газ был 1000С.
Шлак – 1600-1650.
Тепловыеэнергетческие
1. Традиционно на 1 месте – тепло продуктов горения.
Если удается подогреть воздух до 600С, то величина экономии топлива – 34%.
Когда температура газов 1000 можно ставить разные рекуператоры.
Чаще всего это 400-500 – низко потенциальные.
Термосифоны и тепловые трубы.
Термосифон: запаянная труба, внутри которой жидкость. Если трубу расположить вертикально в канале, по которому движутся ПГ, жидкость вскипает, концентрирует в парах – теплоту парообразования, он поднимается к верху, а сверху пропускают воздух, который будет получать тепло от сифона. Далее по стенкам стекает вода и снова нагревается.
Тепловая труба: Точно также есть жидкость, запаянная труба, но в отличие от термосифона внутрь вставлена сетка (фитиля). Сверху ПГ, внизу воздух. Циркуляция сверху вниз. Жидкость поднимается к верху за счет фитилей (капиллярные явления). Труба может быть ориентирована в любом положение.
Сейчас стали применять их в металлургии: при использовании тепла, покидающие доменный подогреватель. Удается подогреть воздух до 250-270С и обеспечить нагрев воздухонагревателей без ПГ, только за счет доменного газа.
2. Тепло горячего кокса
Выдается с t=1000С. Сухое тушение и водой.
Если водой, то высокие напряжения.
Если кокс измельчается, то его потребительские качество снижается.
Сухое тушение кокса
Шахтного типа, рядом вагонетка, которая поднимается.
Продувается нейтральным газом, который циркулирует (снизу 100С, поднимается к верху, и выходит с температурой 800С выходит в котел утилизатор). На пути к нему, устанавливают устройство очистки от пыли, с другой стороны получить чистый газ, который может быть повторно использован.
Утилизировать значительное кол-во тепла и получить пар, в количестве 0,5 пара/тон охлажденного кокса. С давлением 3Мпа – 30 атм. При этом давлении удается получить пар и выработать определенное количество электроэнергии (электро генератор).
18.10.11 Лекция 13
3. Горячий агломерат
Искусственный продукт после обогащения руды. Мелкие фракции, которые необходимы для разделения они не приемлемы, поэтому подвержены окомкованию – спеканию. Добавляют коксик. Более 50-60% от состава шихты доменных печей, 2ая половина – окатыши. Окатыши получают из концентратов. При обжиге окатышей все технологические газы используются для сушки, для улучшение обжига, поэтому ни каких дополнительных внутренних ресурсов процесс обжига не требует. При агломерации появляется избыточное тепло, которое используют частично на технологический процесс, а часть через котел утилизатор на выработку пара. Тепло горячего агломерата сохраняется, целесообразно его использовать. Для этого применяются различные конструкции. Охлаждение агломерата должно проводиться организовано, чтобы не разрушить его. За счет чего существенно повышается прочность агломерата. Рационально использовать путем отбора для подогрева воздуха. Обычно это тепло, которое отбирается в дальнейшем используется либо для получения воды или пары, с последующей выработкой электроэнергии. Она компенсирует работу эксгаустеров. При охлаждении агломерата суще-но улучшается экологическая обстановка. Благодаря отбору тепла удается улучшить и теплой баланс предприятия.
Схема чашевого охладителя с принудительным просасыванием
Под действием разрежения, создаваемого дымососом в воздухопроводе и надконусном пространстве, холодный воздух через жалюзийную наружную стенку бункера устремляется в межкусковые каналы слоя агломерата, пронизывая и охлаждая кольцеобразный слой материала. Далее через внутреннюю жалюзийную стенку бункера поток уже нагретого воздуха входит надконусное пространство охладителя. А затем по воздухопроводу поступает в батарейный циклон. После очистки от пыли тепло нагретого воздуха может быть утилизировано. Считается, что агломерат должен иметь температуру 150 оС – безопасная для транспорта в доменные цеха. 90 м3/тонн агломерата – расход воздуха. Меньше чем на линейном охладителе.
4. Тепло охлаждающей воды
Существует 2 системы охлаждения:
Традиционная – используют воду, и в том же состоянии она покидает пространство, нагреваясь на несколько градусов. Её особенность в том, чтобы сохранить элементы охлаждения и не допустить их разрушение, температура 30 градусов, чтобы не выпадали соли (накипь, которая приводит к повышению температуры металла).
Пароиспарительное охлаждение. Тогда все элементы охлаждения включаются в систему парового котла. Подается химически чистая вода, которая не способна вызывать отложения накипи. Эту воду можно использовать не только для охлаждения, но и для нагрева более высоких температур (более 100). Оно более экономично, позволяет также получить электроэнергию. Требуется меньшее количество воды, которая ещё и циркулирует в замкнутом контуре.
Тепловые насосы. Они позволяют использовать низко потенциальное тепло жидкостей. Нагреватель и испаритель находятся в замкнутой системе. Внутри системы находится жидкость, температура кипения которой ниже, чем температура охлаждающей среды (воды). Испаритель могут помещаться в грунт (до 4-5 метров). Жидкость типа фреона, находясь в контакте с водой – она допускает нагрев и испарение в газ. Аккумулирование тепло в парах фреона сжимается в компрессоре. Компрессор дает свою энергию и поднимает температуру. Сжатый газ при высокой температуре, происходит конденсации и тепло передается конденсатору. Холодильник работает наоборот. Таким образом, удается поднять температуру воды. Такая вода вполне может нагреть помещение. В технике применяют, так как не требуется большого расхода топлива. Затраты на компрессую составляют 1/5 часть от циркуляции фреона. Получаем 80% дармового тепла.
Принципиальная схема теплового насоса с компрессором
5. Тепло жидких шлаков
Каждая тона жидкого шлака содержит 1800 кДж тепла. А шлаков образуется в стране 30 млн. тонн. 1 тона шлака = 70 кг. Условного топлива
Схема установки по утилизации тепла жидких шлаков (поперечный разрез)
Сложности: температура, кол-во шлаков. Установка должна работать круглый год и приносить пользу. Разработка ВНИИМТ
ПО желобу поступает шлак в накопитель (ванну). Внутренняя часть бесконечная цепь пластин, которые приводятся в движение с помощью звездочек. Теплообменник использует тепло жидкого шлака для подогрева воздуха. Пластины холодные, поэтому на них намораживается шлак. Затем они выходят и поднимаются вверх (по кристаллизаторам). По время подъема происходит кристаллизация и охлаждение. Поднимаясь на горизонтальный участок, пластины попадают под воздействие бил (массивные металлические детали), за которые пластины ударяются и шлак скалывается как хрупкое вещество. В процессе кристаллизации возникают большие температурные напряжения. Этот шлак сбрасывается в динамическую решетку, которая представляет собой набор валиков. Дальше пластины опускаются вниз и охлаждаются, снова попадают в ванну. Воздух поступает через трубопровод подачи и далее разделяется на правую и левую ветви. С левой охлаждает шлак, а справа – пластины. 3ий поток через бункер и собираются вверху, уходят к потребителю тепла. Остывший шлак по конвейеру отправляются на склад.
21.10.11 Лекция 14
6. Тепло металлопродукции
1 кг проката = 24 кг условного топлива. Нет технологий для использования этого тепла. Пытались экранировать, но организовать это очень сложно. Можно рассматривать как перспективный.
Энергия избыточного давления газа
1. Энергия колошникового газа
Устанавливают заслонку, чтобы снизить давление.
Схема включения ГУБТ в сеть колошникового газа
1 – 4 – очистка доменного газа. Используют газ для выработки электроэнергии. 40 % энергии возвращается на воздуходувки
2. Энергия природного газа
12 МПа – давление поступающее на ГРП,
Характеристика использования вторичных материальных энергоресурсов
Твердые, жидкие и газообразные.
Использование позволяет уменьшить ресурсоемкость металлопродукта.
Твердые материальные ресурсы
Металлический лом, отвальные шлаки, пыли газоочистки, огнеупорный лом и отходы.
Использование этих ресурсов позволяет уменьшить объемы извлекаемых из недр первичных ресурсов. Исключение сырья за счет некоторых технологических операций. Замещают импортируемые материалы.
1. Металлический лом
Все металлургические технологии предполагают металлические отходы.
Качающийся желоб.
Металлический лом формируется также на машиностроительных предприятиях и в быту. Металлический лом составляет значительную часть для выплавке металла. В конвертере до 25%, в электропечи – 100%.
Лом – использованный металл.
Металлургического производства
Главные источники: потери на желобах (доменное производство), разливка стали в изложницы – усадочная раковина, прокатный стан – окалина.
Машиностроительные отходы
Механическая обработка
1 – холодная обработка на токарных станках
2 – строгальные станки (горизонтальные поверхности)
3 – фрезерные (зубчатые) для производства редукторов
4 – легковесный лом (стружка)
Литейное производство
Образование усадочных раковин. Использование ледниковых систем.
Штамповка и прессовка
Металл из шлаковых отвалов – содержит 12% металла.
25.10.11 Лекция 15
2. Отвальные шлаки
Только на магнитогорском МК накоплено более 100 млн. тонн шлаков. Загрязняют окружающую среду тем, что занимают большую территорию. Сейчас принято решение использовать отвалы. Способы переработки шлаков: в твердом состоянии (доменное, сталеплавильных цехов)
На отвалах присутствует лом огнеупорных материалов, идет на производство огнеупоров.
Рисунок схема способов переработки шлаков
3.Пыль с сухой газоочистки
66 он на т выхода пыли на агломерации. Вся пыль улавливается.
Жидкие вторичные ресурсы
1. Шлаки
2.Шлам – пыль + воды, период использования обезвоживание.
3.Сточные воды – проходит очистку
28.10.11 Лекция 16
4. Травильные растворы
На последней стадии перед выдачей металлопродукции, желательно, чтобы поверхность была чистой. В качестве покрытий могут использовать олово, цинк, полимерные вещества, эмаль. Стойкость повышается от 5 до10 раз.
Наиболее распространён способом обработки поверхности металла различными кислотами (серной, соляной) – травление. В процессе травления
H2SO4 + FeO = FeSO4 + H2O
Раствор насыщается железным купоросом, и концентрация кислоты уменьшается. Когда концентрация упадет до 10%, нужно эту кислоту заменить. 1. Вылить; 2. Что-то с ней сделать и снова использовать.
Кислоту нужно восстановить: воду упаривают – нагрев раствора, в результате повышается концентрация кислоты и образуется соединение FeSO4H2O – купорос (осадок). Железный купорос использует в лако-красочной промышленности, а в металлургии, чтобы коагулировать мелкие частицы при очистке сточных вод. 2 способ – тот же результат, охлаждая раствор, но создавая над раствором вакуум. Применение извести CaSO4 + H2O, образуются шламы.
Возникают трудности при обслуживании кислотных ванн. Ищут более совершенные способы борьбы с очисткой поверхности металла: нагрев в защитной атмосфере. Механическая обработка – абразивные (пескоструйные аппараты). Электрохимические способы.
Газообразные вторичные ресурсы
Азот, диоксид углерода и диоксид серы.
Более широко применяют азот – побочный продукт производства кислорода, который применяют для продувки, при переработке чугуна в сталь – для окисления. Азот для задувки при ремонте. Также в установках сухого тушения кокса. В установках по дисульфурации металла – доставляет сыпучие смеси. Азот широко используется, его даже не хватает.
Диоксид углерода содержится в ПГ различных топлив. CO2 широко используется в различных отраслях промышленности. Средства пожаротушения, газообразные воды, сухой лёд, процессы электросварки.
Рис. Технологическая схема очистки защитного газа от диоксида углерода с последующим его выделением.
Сначала уловить его раствором, а затем его выделить. Раствор будет возвращена к начальному состоянию, с другой стороны получим чистое CO2.
Для использования поглощения СО2 используется жидкость, которая называется моноэтаноламин
2(CH2CH2OH)NH2 + CO2 = [(CH2CH2)NH2]2CO3
Снизу подается газ (1), камера наполнена газом. Используются кольца Рошига (полые цилиндрики). В абсорбере принцип противоток – сверху раствор, снизу газ. Температура, при которой происходит активное поглощение СО2 15 оС.
Покидает установку газ, очищенные от СО2. Жидкость передается в десорбер (6). Выделяет СО2 из насыщенного раствора. Для того, чтобы такую температуру получить, реализуется та же схема противотока. Раствор подается в верхнюю часть десорбера. На встречу подается газ. Подогрев раствора до 110 оС.
Холодильник - 3, Теплообменник – 4. В 4 нагрев до 70-80 С за счет десорбера.
Диоксид серы. Преимущественно в агломерационном производстве. Переработка сернистых руд – SO2 – 0,6% (не очищается). В цветной металлургии окисляют до SO3 и получают кислоту. В других – 0,005%, иногда обрабатывают известковым молоком.