СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ВТОРИЧНЫХ СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ, СОДЕРЖАЩИХ ЖЕЛЕЗО, ЦИНК И СВИНЕЦ Российский патент 2005 года по МПК C22B7/00 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу утилизации вторичных сырьевых материалов, содержащих железо, цинк и свинец, преимущественно пылевидных отходов от процессов производства стали, во вращающейся трубчатой печи, входящей обычно в состав оборудования для процесса вельцевания, регулированием основности шлака вельцевания.

Предшествующий уровень техники

Известно, что в процессе вельцевания материалы, содержащие цинк и свинец, смешивают с коксовой мелочью (носителем углерода) и загружают во вращающуюся трубчатую печь, работающую на принципе противотока. Благодаря наклону центральной оси и вращению печи материал движется к более низкому концу печи. Движущийся навстречу потоку сырья воздух, многократно подогреваемый горелками, окисляет газы, образующиеся при загрузке шихты, за счет чего возрастает температура газов и происходит нагрев печной камеры и шихты.

При прохождении через печь происходит изменение состава шихты, поскольку углерод реагирует с восстанавливаемыми оксидами железа сначала с образованием металлического железа, в результате чего образуется окись углерода, и твердый углерод затем реагирует с окисью цинка с образованием металлического цинка, затем соответственно со свинцом и его соединениями, и в конечном счете все они испаряются в соответствии с соотношениями давлений их паров. При избытке углерода происходит науглероживание металлического железа. Твердые остатки, называемые прокатными отходами, содержат избыточный кокс, науглероженное металлическое железо и остатки образующих окалину оксидов, а также небольшие количества цинка. Топочные газы на своем пути через печь теряют из своего состава свободный кислород. В идеальном процессе вельцевания топочные газы у выпускного отверстия не содержат ни О₂, ни СО.

В ранее известных процессах переработки с регулированием основности шлака вельцевания отмечается значительное количество выделений, а их физико-механические свойства ограничивают их утилизацию немногочисленными областями применения, такими как сооружение из отходов отвалов.

Другими недостатками ранее известных процессов вельцевания с регулированием основности являются:

1. Высокое потребление энергии из-за высокого перерасхода кокса.

2. Более высокое потребление энергии из-за частого дополнительного сжигания веществ, сгорающих при высокой температуре.

3. Энергетические потери из-за 5-10% неиспользованного кокса и металлического железа (более 90% предварительно получено) в шлаке вельцевания.

4. Образование настылей шихты, содержащих трехвалентное и двухвалентное железо, на стенках печи или железных гранул вблизи от зоны выгрузки, чему способствует высокое содержание углерода в губчатом железе.

Из литературы известны мероприятия по преодолению упомянутых недостатков, а именно предложено обеспечивать окисление шлаков вельцевания посредством вдувания горячего воздуха в отверстие для выгрузки отходов.

В способе по патенту США №366522 горячий воздух вдувают в зону выгрузки вращающейся трубчатой печи, который нагревают до 700-750°С в отдельном рекуператоре, без упоминания в формуле изобретения, что необходимую для этого энергию берут из процесса. Температуру в верхней зоне дутья предложено повышать вплоть до 2000°С, которая также следует из текущей температуры участвующих в реакции веществ. Шлаки вельцевания, по меньшей мере, частично расплавляются, оставаясь при этом в форме гранул. Способ предназначен предпочтительно для руд, содержащих железный колчедан.

Почти идентичным с принципами упомянутого способа является известный способ вельцевания по Европейскому патенту №ЕР 0654538. Здесь горячий воздух при 500-1000°С также вдувают в зону выгрузки вращающейся трубчатой печи для ввода окислительных компонентов в шлаки вельцевания с целью утилизации энергии. При горении избытка углерода и металлического железа температура шлаков вельцевания возрастает вплоть до 1200-1500°С, однако при этом они остаются в зернистой форме, а не вытекают в виде расплава. Таким образом, этот способ может быть использован только в сочетании с базовым технологическим процессом. Для ограничения теплового профиля в газовой камере печи объем воздуха дозируют так, чтобы в топливном газе в верхнем дымоходе печи (сторона загрузки шихты) еще содержался СО и пары цинка, помимо других компонентов, т.е. чтобы он имел субстехиометрический состав по отношению к сгоранию. Следовательно, необходимо последующее регулируемое дожигание. Получение горячего воздуха в этом способе было выполнено в лабораторных условиях. Отходящие газы после последующего дожигания служат для подогрева воздуха для горения, для чего требуется специальный рекуператор, который работает в неблагоприятных условиях (пыль, хлориды, свинец). Технические решения по такому рекуператору неизвестны.

Краткое описание изобретения

Целью изобретения является создание способа вельцевания, в котором обеспечивается регулирование основности шлака вельцевания на оборудованных обычным образом устройствах для осуществления процесса вельцевания при оправданных расходах на технические цели. Способ предназначен для работы при более низкой температуре переработки шлаков вельцевания, чем обычно, и без последующего дожигания отходящего газа с использованием воздуха снаружи трубчатой печи. Кроме того, должен улучшиться баланс энергии процесса вельцевания и повыситься производительность используемой вращающейся трубчатой печи. Кроме того, должно повыситься качество отходов, чтобы обеспечить возможность их утилизации более разнообразными способами.

Согласно изобретению эти задачи решены в способе согласно пункту 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты описаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

В способе согласно изобретению вторичные сырьевые материалы, содержащие железо, цинк и свинец, преимущественно, пылевидные отходы процессов производства стали обрабатывают во вращающейся трубчатой печи, работающей на принципе противотока по отношению к шихте и газовой атмосфере, при релулируемой основности шлаков вельцевания для того, чтобы сырьевые материалы смешивались и/или образовывали конгломераты с химически активным мелкозернистым носителем углерода, при этом количественная часть углерода является строго субстехиометрической в отличие от всех потребляющих углерод реакций в шихте, чтобы распределить дополнительную часть крупнозернистых носителей углерода между конгломератами так, чтобы суммарное количество углерода составляло менее 80% от количества, необходимого для всех потребляющих углерод реакций в шихте при температуре шкала вельцевания менее 1150°С. Является предпочтительным дозировать часть углерода так, чтобы шлаки вельцевания совсем не содержали свободного углерода (менее 1%), даже без последующего окисления, чтобы полный объем воздуха, подаваемого в печь, был стехиометрическим или гиперстехиометрическим в отношении всех окислительных компонентов газа, т.е. его можно использовать без специального регулируемого последующего дожигания, чтобы обдувать шлаки вельцевания холодным воздухом вблизи выпускного отверстия печи по достижении стабильной работы печи при восстановлении части металлического железа в количестве менее 20%, предпочтительно менее 10%, и чтобы устанавливать высокую основность шлаков вельцевания с помощью большого количества магния при МgО больше или равного 0,1% СаО также посредством добавления извести и содержащих магний отходов, таких как отстой осажденного гипса.

Согласно изобретению мелкозернистые носители углерода имеют диаметр, приблизительно, 0-6 мм, предпочтительно 0-4 мм и более предпочтительно менее 2 мм. Согласно изобретению крупнозернистые носители углерода имеют диаметр, приблизительно, 0-16 мм, предпочтительно 0-12 мм и более предпочтительно менее 10 мм.

Преимуществом способа является полное удовлетворение дополнительной потребности в тепле у выпускного отверстия печи за счет целенаправленного введения холодного воздуха в количестве 30-40% от полного объема воздуха. Воздух вызывает окисление металлического железа с выделением при этом тепла. Температуру шлаков вельцевания можно регулировать до температуры менее 1150°С за счет регулирования объема воздуха. Объем поступающего воздуха регулируют известным образом с помощью дымохода. Его следует дозировать таким образом, чтобы дымовой газ у верхнего дымохода печи содержал 0,5-2% O₂.

В соответствии с этим в печи устанавливают режим, при котором значительная часть углерода в слое твердого вещества, т.е. в печной шихте, является субстехиометрической в отношении потребности в углероде для всех потребляющих углерод реакций, но способствует полному сгоранию всех компонентов в газовой камере, являясь тем самым стехиометрическим или гиперстехиометрическим соответственно в отношении сгорания с присутствием свободного О₂ в дымовом газе.

Этот принцип обеспечивает преимущество за счет использования химически активного и мелкозернистого носителя углерода, который содержит также небольшие количества летучих веществ, которые поступают в печь после их смешивания и/или образования конгломератов с мелкозернистыми сырьевыми материалами и присадками.

Упомянутый принцип обеспечивает дополнительное преимущество за счет возможности использования также отходов гипса как основных присадок, способствующих продолжительной безаварийной работе печи. Последнего улучшения дополнительно достигают за счет низкого содержания углерода в полученном металлическом железе и получаемой при этом более высокой температуры плавления.

В соответствии с описанными технологическими приемами упомянутый принцип способствует нормальной продолжительной работе также печей меньшего размера без дополнительного нагрева.

Техническая реализация этого процесса достигается посредством тщательного дозирования и смешивания компонентов и использования агломерирующей установки. Кроме того, требуется средство для подачи воздуха, содержащее воздуходувку, система измерения и регулирования и подвижная воздуходувная фурма. Переработанные шлаки вельцевания могут быть использованы для сооружения отвалов или подстилающих слоев для асфальтовых покрытий. Они плотно спекаются на своей поверхности, не содержат углерода (менее 1%) и содержат лишь незначительное количество металлического железа. Их объем соответствует правовым нормам.

Размельченные шлаки вельцевания гранулируют или быстро охлаждают струями воды при их выгрузке из печи.

Способ согласно изобретению позволяет улучшить энергетический баланс, а также повысить производительность вращающейся трубчатой печи за счет снижения количества носителей углерода и утилизации энергетического потенциала металлического железа на выходе из печи.

Подробное описание предпочтительного варианта

Пылевидные отходы сталепрокатного производства, содержащие цинк и свинец, гранулировали с использованием нефтяного кокса, имеющего размер гранул менее 2 мм, мелкозернистых присадок, содержащих CaSO₄, и воды. Был использован такой сорт нефтяного кокса, чтобы гранулы содержали приблизительно 70% углерода, необходимого для восстановления железа, цинка и свинца, содержащихся в компонентах. Влажность составляла до 10-12%. К этим гранулам добавили крупнозернистые носители углерода с размером гранул приблизительно менее 10 мм. Полное количество углерода составляло, приблизительно, 75% от количества углерода, необходимого для восстановления железа, цинка и свинца, содержащихся в соединениях.

Упомянутые самофлюсующиеся гранулы обрабатывали вместе с крупнозернистыми носителями углерода во вращающейся трубчатой печи, имеющей длину 38,5 м и внутренний диаметр 2,5 м при наклоне 3°. Воздуходувная фурма была пропущена сквозь печной кожух, посредством которой воздух вдували в сырьевые отходы через сопла, расположенные на расстоянии 2 м. Объем упомянутого воздуха регулировали так, чтобы главным образом происходило окисление содержащегося в сырьевых отходах железа, так чтобы содержание остаточного углерода составляло менее 1% и чтобы температура отходов составляла 1100°С. Полный объем воздуха регулировали так, чтобы обеспечить стехиометрическое соотношение у всех газообразных компонентов, для того чтобы окисление происходило без присутствия в отходящем газе СО.

Переработанные отходы гранулировали, и благодаря их физико-механическим свойствам и качеству они могут использоваться в строительстве, например, для подстилающих слоев асфальтовых покрытий или образования проницаемых для газа слоев для улучшения санитарного состояния отвалов из отходов. Количество металлического железа в сырье составляло приблизительно 5 вес.%.

Отходящий газ подвергали первичной очистке в осадительной камере. При последующем охлаждении и очистке отходящего газа содержание вельц-оксида, в котором присутствовал цинк, достигало приблизительно 63%.

Изобретение относится к утилизации вторичных сырьевых материалов, содержащих железо, цинк и свинец, преимущественно отходов процессов производства стали, с регулированием основности образующегося шлака вельцевания. В предложенном способе, включающем смешивание шихты, содержащей сырьевые материалы и химически активный мелкозернистый носитель углерода, ее агломерацию и обработку полученных конгломератов в печи, согласно изобретению обработку осуществляют во вращающейся печи, работающей на принципе противотока в отношении шихты и газовой атмосферы, в процессе обработки к конгломератам подают дополнительную часть носителя углерода так, чтобы суммарное количество углерода составляло менее 80% от количества, необходимого для всех потребляющих углерод реакций в шихте, причем количество химически активного мелкозернистого носителя углерода является строго субстехиометрическим по отношению ко всем потребляющим углерод реакциям в шихте. Обеспечивается улучшение баланса энергии процесса вельцевания, повышение производительности используемой печи и повышение качества отходов. 4 з. п. ф-лы.

1. Способ утилизации вторичных сырьевых материалов, содержащих железо, цинк и свинец, преимущественно отходов процессов производства стали, с регулированием основности образующегося шлака вельцевания, включающий смешивание шихты, содержащей сырьевые материалы и химически активный мелкозернистый носитель углерода, ее агломерацию и обработку полученных конгломератов в печи, отличающийся тем, что обработку осуществляют во вращающейся печи, работающей на принципе противотока в отношении шихты и газовой атмосферы, в процессе обработки к конгломератам подают дополнительную часть носителя углерода так, чтобы суммарное количество углерода составляло менее 80% от количества, необходимого для всех потребляющих углерод реакций в шихте, причем количество химически активного мелкозернистого носителя углерода является строго субстехиометрическим по отношению ко всем потребляющим углерод реакциям в шихте.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть углерода дозируют так, чтобы образующиеся шлаки вельцевания содержали менее 1% свободного углерода, даже без последующего окисления.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при обработке конгломератов во вращающейся печи в нее подают воздух в стехиометрическом или гиперстехиометрическом количестве по отношению ко всем окислительным компонентам, содержащимся в образующемся в печи дымовом газе для обеспечения его использования без специального регулируемого последующего дожигания.4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что к образующимся шлакам вельцевания вблизи выпускного отверстия печи подают холодный воздух по достижении стабильной работы печи, при этом доля восстановленного металлического железа снижается до менее чем 20% от полного содержания железа, предпочтительно до менее чем 10%.5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что высокую основность шлаков вельцевания регулируют при помощи высокого количества магния при MgO≥0,1% СаО путем добавления извести и содержащих магний отходов, например, отстоев осажденного гипса.