СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ОФЛЮСОВАННОГО АГЛОМЕРАТА Российский патент 1996 года по МПК C22B1/16 

Изобретение относится к термическому окускованию железных руд и концентратов и может быть использовано в черной цветной металлургии.

Известен способ подготовки твердого углеродистого топлива для целей агломерации железных руд, по которому топливо смешивают с флюсом, увлажняют и окомковывают. Флюс, например известняк, имеет крупность 0,2 0,5 мм. К топливу его добавляют в количестве 5 20 от общего содержания в агломерационной шихте [1]
Недостатком этого способа является низкая эффективность в реализации поставленной цели, а именно снижение вредных выбросов с отходящими газами. Этот способ подготовки твердого топлива практически не оказывает влияние на степень выгорания серы и количество оксидов азота в отходящих газах.

Наиболее близким к изобретнию по технической сущности является способ [2] по которому в агломерационную шихту перед смешиванием вводят предварительно гранулированную смесь, содержащую Al₂O₃ и MgO в отношении 0,1 0,6 и твердое топливо в количестве, обеспечивающем содержание углерода в смеси 0,5. 10,0% основность смеси по отношению CaO/SiO₂ 2,5 7,0. Смесь сначала измельчают до крупности меньше 1,0 мм, затем гранулируют. Измельчение осуществляют в дробилках ударного действия. Расход смеси составляет 30 100 от массы флюсов.

Изобретение предусматривает вариант добавки в предварительно гранулированную смесь марганцевой руды в количестве, обеспечивающем отношение SiO₂/MnO 2,0 5,0.

1. Сложная схема технологических потоков подготовки шихты. К существующим схемам цепей аппаратов требуется добавить технологическую линию подготовки совместно измельченной гранулированной смеси. После ввода в шихту этой смеси все операции по смешению и окомкованию повторяют.

2. Регламентация состава смеси по большому количеству химических соединений, взятых в виде отношений CaO/SrO₂, Al₂O₃/Mg при определенном содержании углерода топлива, предъявляет жесткие требования по дозированию компонентов и их химическому составу. Например, железная руда обязательно должна содержать Al₂O₃/MgO окажется не выполнимо.

3. Предлагаемый способ подготовки шихты малоэффективен по отношении уменьшения в отсасываемых газах СО и оксидов азота.

Цель изобретения снижение выбросов в атмосферу оксида углерода (СО), оксидов азота (NO>_x) и получение агломерата с высокими металлургическими свойствами.

Реализация предлагаемого способа обеспечивает:
1) снижение общего количества отсасываемых газов, выбрасываемых в атмосферу, на 5 10
2) снижение содержания в отсасываемых газах СО и NO_x соответственно на 40 75 и 25 35 (отн.);
3) увеличение интенсивности спекания на 5 10
4) получение агломерата однородной структуры с превалирующим количеством кристаллической связки эвтектического состава;
5) снижение удельного расхода кокса на выплавку чугуна на 5 10
Существенные признаки, характеризующие изобретение:
1. Совместное измельчение окисление железной руды и твердого углеродистого топлива в агрегатах активного ударного действия, например, в молотковых дробилках с шарнирно подвешенными молотками, в дезинтеграторах или дисмембраторах.

2. Состав совместно измельчаемой смеси рассчитывают по формуле

где m_p количество окисленной железной руды, кг (сух.) на 1 т агломерата;
m_т количество твердого углеродистого топлива, равное 50 85 от общего расхода на спекание, кг (сух.) на 1 т агломерата;
C_т содержание углерода в топливе (по результатам технического анализа, как С_нел, на сухую массу;
ξ коэффициент, отражающий расход кислорода на окисление 1 кг углерода до СО, равный 1,33 кг;
Fe₂O₃ содержание Fe₂O₃ в руде,
0,30 количество кислорода, связанное с железом в виде Fe₂O₃, доли;
k коэффициент, учитывающий активную поверхность частиц руды, равный 0,30 0,80.

3. Исходная крупность руды и топлива меньше 20 мм и 25 мм, соответственно.

4. Максимальная крупность частиц измельченной смеси 3 мм при содержании кл. менее 0,05 25 50
5. Влажность смеси регулируют путем ввода в смесь до измельчения негашеной извести из расчета 3,12 кг CaO_св на 1 кг гигроскопической воды сверх 8
Признаки, отличительные от прототипа [2]
1. В агрегатах активного ударного действия совместно измельчают твердое углеродистое топливо и окисленную железную руду.

2. Соотношение между рукой и топливом в совместно измельчаемой смеси устанавливают на основании стехиометрических соотношений между углеродом топлива и кислородом, связанным с железом в виде Fe₂O₃. Количественно это соотношение 2выражено в виде формулы (I).

3. Режим измельчения задают указанием максимального размера частиц измельченной смеси (3 мм) и содержания кл. менее 0,05 мм (25 50).

4. Влажность совместно измельченной смеси не превышает 8,0
5. Тепловой режим спекания шихты не регламентируют.

Признаки, достаточные во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны:
1. Совместное измельчение в агрегатах активного ударного действия окисленной железной руды и твердого углеродистого топлива.

2. Состав смеси соответствует соотношению компонентов, выражаемому формулой (I).

3. Влажность смеси поддерживают на уровне не более 8% путем ввода негашеной извести в количестве 3,12 кг на 1 кг воды сверх 8
4. Максимальные размеры частиц руды и топлива до измельчения 20 и 25 мм соответственно, после измельчения менее 3 мм при содержании кл. менее 0,05 мм 30 50
В основу предлагаемого способа положены термодинамические и кинетические особенности образования оксидов азота при сжигании твердого углеродистого топлива [3 и 4]
N₂+O₂⇄ 2NO
2NO + O₂ __→ 2NO₂ (II)
Из этих работ известно, что оксиды азота образуются в очагах горения углерода вследствие развития высоких температур ≥1100^oC.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что благодаря совместному измельчению железной руды и твердого углеродистого топлива часть углерода сгорает за счет кислорода, связанного с железом, по реакциям

Все реакции имеют эндотермический характер. Суммарный тепловой эффект этих реакций резко отрицательный: на 1 кг Fe расходуется 4225 кДж тепла.

Наряду с реакциями (III) (VI) горение углерода осуществляется и за счет кислорода воздуха по реакциям

C + O₂ CO₂ + 406,33 МДж (VIII)

По В. И. Коротичу [5] 45 углерода сгорает до СО₂, остальная часть (55) горит до СО.

Совмещение двух механизмов сжигания углерода (за счет кислорода, связанного с железом в руде [реакции (III) (VI)] и за счет кислорода воздуха [реакции (VII) (IX)] увеличивает количество углерода, содержащего до CO₂. Вследствие каталитических свойств свежеобразованных железа металлического и его оксидов окись углерода, образовавшаяся на границе контактирования частиц топлива с частицами руды быстрее сгорит до CO₂, чем СО, образовавшаяся в газовом потоке [6]
Сжигание углерода топлива за счет кислорода, связанного с железом в руде [реакции (III) (VI)), не вносит отрицательных изменений в суммарный тепловой эффект горения углерода. Это происходит от того, что отрицательные тепловые эффекты реакций (III) (VI) перекрываются положительным эффектом реакции горения СО до СО₂ (9). Вместе с тем в очагах горения части углерода по реакциям (III) (VI) уровень максимальных температур оказывается значительно выше, чем при горении за счет кислорода воздуха, что является основной причиной снижения количества оксидов азота.

Предлагаемые параметры совместного измельчения руды и топлива (степень измельчения i 8,3; характер измельчения за счет активного ударного действия) увеличивает свободную энергию руды и топлива [7] и тем самым снижает энергетический барьер реакций взаимодействия твердого углерода с оксидами железа в руде (III) (VI). Температурный интервал активного протекания этих реакций опускается ниже и благодаря этому горения углерода по реакциям (III) - (VI) совпадает по времени с горением углерода по реакциям (VII) (IX).

Таким образом, механическая активация руды и топлива за счет совместного измельчения в агрегатах активного ударного действия обеспечивает конкурентность реакций горения углерода за счет связанного кислорода реакциям горения за счет кислорода воздуха.

Чем больше углерода сгорает за счет кислорода, связанного с оксидами железа (III) (VI), тем меньше образуется оксидов азота. Путем изменения доли топлива, направляемого на совместное измельчение с рудой, управляют массовым соотношением углерода, сгорающего по реакциям (III) (VI) и (VII) (IX). Рекомендуемые граничные пределы, равные 50 85 соответствуют требованиям наибольшего эффекта по снижению количества NO_x и СО в отсасываемых газах при положительном влиянии на технико-экономические показатели агломерационного процесса, включая качество агломерата. Превышение направляемого на совместное измельчение количества топлива 85 отрицательно сказывается на удельной производительности аглоустановки за счет снижения вертикальной скорости спекания. При уменьшении этой величины ниже 50 резко ослабевает эффект по снижению количества NO_x и СО в отсасываемых газах.

Требования к типу руды (окисленная железная руда) продиктованы тем, что из всех реакций прямого восстановления наибольшее развитие имеет реакция (3). Хотя в принципе использование магнетитовой руды также применимо, но менее эффективно с точки зрения решения поставленной задачи.

Исходная крупность руды и топлива, как и конечная крупность после измельчения, отвечают условию максимальной активации измельчаемой смеси [7] При заданных параметрах крупности степень измельчения составляет

где D_max максимальный размер кусков твердого топлива, как более крупного компонента смеси, мм;
d_max максимальный размер частиц измельченной смеси, мм.

В отличие от прототипа [2] контрольным параметром крупности измельчения указывают содержание класса менее 0,05 мм в пределах 25 50 Это вызвано необходимостью обеспечения тесного контакта частиц руды с частицами топлива.

Величины, отражающие предельные нормы содержания кл. менее 0,05 мм, представляют собой оптимальные значения, когда достигают наибольшего эффекта в достижении поставленной задачи при сохранении на высоком уровне технико-экономических показателей агломерационного процесса. Например, при уменьшении кл. 0,05 мм ниже 25 снижается эффективность технического решения (в отходящих газах резко увеличивается содержание СО и окислов азота до исходного уровня), а если содержание этого класса превышает 50 то наблюдается существенное снижение вертикальной скорости спекания, хотя эффективность заявляемого способа продолжает возрастать.

Коэффициент активности руд (k) принят по подобию коэффициента активности углерода [8] По физическому смыслу он отражает долю поверхности частиц руды, которая вошла в плотный контакт с частицами топлива и способна взаимодействовать, минуя газовую фазу. Численные значения этого коэффициента установлены на основании лабораторных исследований и равны k 0,3 0,8. То или иное значение принимают в зависимости от содержания кл. менее 0,05 мм в измельченной смеси. Рекомендуется придерживаться следующей ранжировки значений k:
Содержание кл. <0,05 мм, k
от 25 до 35 ≅0,80
от 35 до 42 ≅0,60
от 42 до 50 ≅0,30
Регламентация по влажности имеет целью обеспечения нормальной работы дробильных агрегатов, чтобы не забивались колосниковые решетки, если измельчение осуществляют в молотковых дробилках, и не происходило налипания материала на пальца-била, если измельчение осуществляют в дезинтеграторах или дисмембраторах. Заданная влажность (не более 8) измельченной смеси обеспечивает требуемую сыпучесть материала, благоприпятствующую транспортируемости ленточных конвейерами и хранению в бункерах. Нижний предел влажности не регламентируют, так как это связано с сушкой руды и топлива.

В комплексе предлагаемые параметры образуют вполне определенные условия компановки частиц топлива в слое спекаемой шихты, в результате которых увеличивается доля углерода, сгорающего до СО₂. Исследования показали, что при реализации заявляемого способа доля углерода, сгорающего до CO₂, возрастает с 45 до 65 75 в зависимости от параметров реализуемой технологии.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

1. Отделение дробления топлива дооснащают агрегатами активного ударного действия, например, молотковыми дробилками с шарнирно подвешенными молотками; бункерами для приема руды и топлива и дозировочными устройствами со средствами взвешивания.

2. В шихтовом отделении предусматривают возможность приема измельченной смеси и регулируемого ее расхода (по весу).

3. После измельчения рудно-топливную смесь направляют в бункеры шихтового отделения.

4. Расход совместно измельченной смеси устанавливают по расходу руды, суммируя ее со всеми остальными железорудными компонентами шихты.

5. Тепловой режим спекания регулируют путем изменения расхода топлива, не подвергнутого совместному измельчению с рудой.

Пример расчета состава совместно измельченной смеси (применительно к условиям аглофабрики НЛМК).

Исходные условия:
1. Руда стойленская (КМА).

2. Расход топлива (сух.)
Коксовая мелочь 49,6 кг/т агл.

Антрацитовый штыб 8,5 кг/т агл.

Итого, топлива 58,1 кг/т агл.

Средневзвешенный анализ топлива, мас.

С_нел 76,71
S 1,86
A 19,72
V 1,71
4. Влажность руды 9,1
5. Влажность топлива 8,8
При этом следует сделать следующее.

1. Прежде всего спрогнозировать режим измельчения смеси. Принимаемым более "мягкий" режим. когда содержание кл. <0,05 мм в измельченной смеси составляет 25 35 В этом случае коэффициент k 0,80.

2. Принимаемым долю топлива, направляемого на совместное измельчение, равной 70 следовательно, m_т 58,1 х 0,70 40,67 кг (сух.).

3. Расход руды на это количество топлива рассчитывают по формуле (I)

4. Избыточное количество гигроскопической воды

5. Для химического связывания избыточной влаги требуется извести

где 3,12 регламентируемое количество CaO_св для "связывания" путем гашения 1 кг гигроскопической воды, кг;
0,88 содержание СаО_св в извести, доли.

6. Состав совместного измельчаемой смеси приведен в таблице.

Весовые величины отражают расход компонентов смеси на 1т агломерата. Расход смеси в единицу времени определяется интенсивностью агломерационного процесса. Состав смеси корректируют в соответствии с режимом измельчения: при повышении содержания кл. <0,05 мм расход руды увеличивается. ТТТ1

Использование: изобретение относится к термическим способам окускования железных руд и концентратов и может быть использовано при агломерации в цветной металлургии. Сущность: 5 - 85 % всего используемого на спекание шихты топлива измельчают совместно с окисленной железной рудой в агломератах активного ударного действия при соотношении

где m_p - количество окисленной железной руды, кг (сух.)/т агломерата; m_т - количество твердого топлива, кг (сух.)/т агломерата; C_т - содержание углерода в топливе, %; ξ - коэффициент, отражающий расход кислорода на окислекние 1 кг C_т до СО, равный 1,33 кг; k - коэффициент активности руды, равный 0,30 - 0,80; Fe₂O₃ - содержание Fe₂O₃ в руде, %; 0,30 - количество кислорода, связанного с железом в виде Fe₂O₃, доли. Исходная крупность руды и топлива меньше 20 и 25 мм соответственно, после измельчения - меньше 3 мм при содержании кл. менее 0,05 от 25 до 50 %. Влажность измельченной смеси регулируют путем ввода негашеной извести в количестве 3,12 кг CaO_св на 1 кг воды сверх 8 %. 1 табл.

Способ производства офлюсованного агломерата, включающий предварительное совместное измельчение в агрегатах активного ударного действия части компонентов шихты, в том числе рудного материала и топлива, последующее смешивание и окомкование измельченной смеси с остальной частью шихты, зажигание и спекание, отличающийся тем, что предварительное совместное измельчение осуществляют до крупности меньше 3 мм при содержании фракции меньше 0,05 мм в количестве 25-50% при подаче в измельчаемую смесь топлива крупностью меньше 25 мм в количестве 50-85% от используемого в процессе, а в качестве рудного материала окисленной железной руды крупностью меньше 20 мм, количество которой определяют по следующей формуле:

где m_p количество окисленной железной руды, кг (сух.) на 1 т агломерата,
m_т количество твердого топлива, кг (сух.) на 1 т агломерата,
C_т содержание углерода в топливе,
ξ коэффициент, отражающий расход кислорода на окисление 1 кг C_т до СО, равный 1,33 кг;
k коэффициент активности руды, равный 0,3-0,8,
Fe₂O₃ содержание Fe₂O₃ в руде,
0,30 количество кислорода, связанного с железом в виде Fe₂O₃, доли,
при этом регулируют влажность смеси путем ввода негашеной извести в количестве 3,12 кг CaO_св на 1 кг воды сверх 8%