книги из ГПНТБ / Розенберг Е.Х. Горючие, тепловые отходы и энерготехнологическое комбинирование в фосфорной промышленности

4. Использование физического тепла огненно­ жидких шлаков

' В производстве фосфора электротермическим способом на одну тонну основного продукта вырабатывается около 1 0 тог­ ненно-жидкого шлака. Реализация шлака и использование его физического тепла является проблемой в фосфорной промыш­ ленности, решение которой позволит значительно улучшить экономику фосфорного производства.

Известно, что в США и ФРГ фосфорные шлаки полностью реализируются в основном в промышленности строительных материалов.

У нас в стране до последнего времени шлаки фосфорного производства не использовались, что объяснялось неболь­ шими объемами их выпуска. За последнее время наблю­ дается сдвиг в этой области, а именно фосфорные шлаки сей­ час частично используются в промышленности строительных материалов — их потребляют шесть цементных заводов.

Экономический эффект использования шлаков может быть улучшен за счет увеличения ассортимента шлаковых изделий, производства продуктов наиболее ценных для промышленно­ сти. Химическая природа фосфорных шлаков указывает на возможность разнообразного применения их в промышленно­ сти. По химическому составу они напоминают широко исполь­ зуемые в промышленности строительных материалов домен­ ные шлаки, отличаясь от последних повышенным содержани­ ем Р2 0 5 (до 2,5—3,0%), наличием соединений фтора (до 5%' в пересчете на CaF2), пониженным содержанием А120з и MgO. Сумма основных компонентов (СаО и Si02) в этих шлаках составляет до 90%. Все это позволяет утверждать, что фос­ форные шлаки могут быть переработаны не только на прос­ тые и дешевые строительные материалы (щебень, пемзу, гра­ нулят), но и из них возможно получение более ценных мате­ риалов, например, портландцемента. По данным ИФХИМСа Сибирского отеленйя АН СССР при переработке фосфорных шлаков на портландцемент модуль кислотности шихты дол­ жен быть равен 0,35—0,47. В качестве добавки используется боксит. Средняя цена портландцемента 10 руб. за тонну, вы­ ход его составляет 4—5 г на тонну фосфора.

Учитывая опыт цветной металлургии, где в ряде произ­ водств шлак подвергается дополнительному переделу с целью извлечения из него ценных элементов, следует отметить, что « в фосфорной промышленности не снимается вопрос о вторич­

34

ном переделе фосфорных шлаков с целью извлечения из них фтора, тем более, что природные запасы этого элемента у нас в стране ограничены.

Физическое тепло огненно-жидкого шлака фосфорной про­ мышленности до настоящего времени не используются. При­ мерные параметры фосфорных шлаков, определяющие их свойства как теплоносителя, приведены в таблице 2. Тепловые характеристики шлаков фосфорных печей позволяют рассмат­ ривать их как концентрированный источник тепла высокого потенциала, занимающий одно из первых мест в тепловом ба­ лансе печи и составляющий более 30% от общего количества вводимого в печь тепла.

Из предварительных расчетов следует, что экономический эффектрт утилизации тепла шлаков соизмерим с экономией от использования его в промышленности строительных мате­ риалов. Отсюда, общим условием оптимального использова­ ния отвальных шлаков является комплексная переработка шлаков с утилизацией заключенного в них тепла. Необходи­ мые для этого установки следует располагать в непосредст­ венной близости от источника отвальных шлаков. Использо­ вание тепла отвальных шлаков надо рассматривать не изо­ лированно, а с учетом всей системы производства. В этом слу­ чае фосфорное производство, обладающее несколькими вида­ ми тепловых и горючих отходов, представляется наиболее сложным.

Общим требованием использования тепловых и горючих отходов любого производства является то, что вырабатывае­ мый теплоноситель должен применяться в течение возможно большего числа часов. Оптимальным в этом отношении следу­ ет' считать нагрев за счет1 тепла шлаков дутьевого воздуха, не­ обходимого агрегату, выдающему эти шлаки, что интенсифи­ цирует также производительность агрегата. Подобная схема возможна при энерго-технологическом способе производства фосфора, когда весь воздух, нагретый за счет тепла фосфор­ ных шлаков, может быть направлен в циклон энерготехноло­ гического агрегата для расплавления фосфатного сырья.

На рис. 8 показана схема комплексного энерготехнологи­ ческого использования шлакового расплава с производством пемзы и получения горячевого дутьевого воздуха, предложен­ ная кафедрой огневой промышленной теплотехники (ОПТ) МЭИ. В рассматриваемой схеме шлак поступает в порпзатор,

где осуществляется барботажная продувка жидкого шлака небольшим количеством воздуха с газообразующей пылью из-

35

Рис. 8. Схема комплексного энерго­ технологического использования шла­ ков с производством пемзы и получе­ нием горячего дутьевого воздуха:

1 — печной агрегат; 2 —' поризато.р; 3 — ф орм ователь; 4 — основной ш лаковоздуш ны й теп ­ лообменник; 5 — пыль извест­ няка; 6 — воздуходувка.

вестняца. Разложение последнего сопровождается значитель­ ным эндотермическим эффектом, за счет чего и достигается начальное охлаждение и поризацня. шлака. Шлак из порнзатора направляется в формователь укрупненных поризованных гранул, где завершается его начальное охлаждение (до 1150— 1200°С) и подготовка к теплообмену. За формоівателем уста­ навливается шлаковоздушный теплообменник, работающий с плотным слоем гранулированного и поризованного шлака при противоточном охлаждении его воздухом. При использовании этого воздуха в качестве горячего дутья его температура мо­ жет составлять 350—500°С. Наиболее сложным и трудновы­ полнимым звеном этой схемы является равномерная поризация шлакового расплава и формирование из него достаточно затвердевших гранул.

В случае необходимости в основном теплообменнике мож­ но .нагреть меньшее количество воздуха до температуры 850— 900°С с использованием его в паровом котле для электроэнер­ гетических целей. Подобную схему можно рекомендовать для использования тепла огненно-жидких шлаков в производстве фосфора по электротермической схеме. На рис. 9 показана, предложенная кафедрой ОПТ МЭИ схема электроэнергети­ ческого использования тепла шлаков при воздушной его гра-

36

нуляцни. В рассматриваемой схеме шлак гранулируется в воз­ душном потоке, одновременно воздух нагревается до темпе­ ратуры 900— 1000°С. Нагретый воздух генерирует пар в паро-

Рис. 9. Схема комплексного энергетиче­ ского использования шлаков при воздуш­ ной его грануляции:

иом котле, работающий параллельно с заводской ТЭЦ. Одна тонна фосфорных шлаков при температуре 1450—1500°С име­ ет теплосодержание порядка 380—430-103 ккал. Оценивая коэффициент полезного действия воздушного шлакогрануля­ тора и парового котла, работающего на воздухе с температу­ рой 900—1000°С, равным 0,70, количество тепла которое мо­ жет быть использовано составит 265—300-103 ккаліт, или в пе­ реводе на выработанную электроэнергию около 95—115 квтч на 1 т гранулированного шлака. Это значит, что завод мощ­ ностью 260 0 0 0 тфосфора в год за счет использования тепла от­ вальных шлаков сможет выработать электроэнергию доста­ точную для покрытия мощности одной фосфорной печи.

Однако следует отметить, что эффективная работа воздуш­ ного шлакогранулятора, который в верхней своей части рабо­ тает по принципу падающего слоя, а в нижней по схеме про­ тивоточной шахты, возможна при пневматическом дроблении

37

струп жидкого шлака на однородные по размерам и форме шлаковые гранулы.

На рис. 10 представлена установка воздушно-паровой гра­ нуляции шлака, спроектированная институтом ГИНЦВЕТМЕТ.

Капли шлака, полученные при распылении шлаковой струн паром из сопла Лаваля, обрабатываются воздухом первона­ чально в полете в герметичной камере, а затем в слое на сек­ ционированной по дутью цепной решетке типа БЦР. О.хлаж-

Рис. 10. Опытно-промышленная установка по воздушно-па­ ровой грануляции шлака.

7 — транспортер; 8 — ш лаковы й желоб.

денный шлак перемещается и питателем удаляется из уста­ новки. Горячий воздух отводится из верхней части камеры и используется в качестве горячего дутья. На укрупненной опытно-промышленной установке производительностью по шлаку 15 тічас дутьевой воздух (до 50 000 м51час) был нагрет до температуры 300°С, а шлак охлаждался до 300—400°С. Од­ нако из-за ряда конструктивных несовершенств установка не смогла обеспечить длительную эксплуатацию.

Как видно, основной и наиболее трудной задачей, содерживагощей внедрение процессов использующих физическое тепло шлаков на нагрев воздуха, является дробление сплошной струн жидкого шлака на частицы, достаточно однородные по размеру и форме, что необходимо для эффективной их грану­ ляции в воздушном потоке. В случае, если на фосфорном за­ воде нет возможности осуществить использование тепла шла­

38

ков по одной из указанных схем, допустимо применение не­ посредственного использования тепла шлаков для получения пара низкого давления, либо для целей теплофикации.

Подобное использование тепла шлаков было начато более 50 лет тому назад. Так еще в 1911—1913 гг. в Англии (Мидл- ■сборо) была сооружена установка для выработки пара низко­ го давления. (1 ,1 ат) для использования тепла доменных шла­ ков при их грануляции водой. Схема этой установки показана на рис. 11. Получаемый пар поступал в специальную турбину мощностью 500 кет. Выработка электроэнергии составляла

Рис. 11. Схема использования тепла шлаков для получения пара низкого давления.

20—40 квтч на 1 т гранулированного шлака. В эксплуатации эта установка оказалась весьма сложной и малоэффективной. В частности имела место интенсивная коррозия всех металли­ ческих ее частей, истирание и забивание мелкими частицами шлака парообразователя, шлакового элеватора и насосов. По указанным причинам подобные установки не получили широ­ кого промышленного распространения.

В СССР первые удовлетворительные результаты использо­ вания физического тепла отвальных шлаков были получены в цветной металлургии в послевоенные годы, когда на ряде комбинатов были сооружены водогрейные установки тепло­ фикационного назначения. На рис. 12 показана схема такой установки мощностью ~ 14 Мет (12 ■106 ккал/ч). В данном случае, горячий шлак из печи через грануляционный желоб

39

подается вместе с гранулирующей водой в шлакоприемник. Нагретая до 95°С грануляционная вода самотеком поступает в отстойник, где выпадает мелкая взвесь, а оттуда в сборник горячей воды. Очищенная вода грануляционным насосом на­ правляется в аккумулятор горячей воды, внутри которого установлены теплообменники, где циркулирует теплофикаци­ онная вода, нагреваемая до 60°С. Охлажденная грануляцион­ ная вода насосом подается обратно на грануляцию шлака. Подобные установки крупного промышленного масштаба, дающие значительную экономию топлива по замещаемой ко­ тельной, показали недостаточную надежность в эксплуатации. Основными их недостатками явились: интенсивная коррозия металла в контуре загрязненной воды, эррозия насосов и тру-

1 — грануляционны й желоб; 2 — ш лаколрлем ш ік; 3 — от­ стойник; 4 — сборник горячей воды; 5 — грануляционны й насос; б — цистерна-аккум улятор; 7 — водо-водяной тепло­ обменник: 8 — насос холодной воды; 9 — сборник холодной воды.

бопроводов, загрязнение поверхности нагрева теплообменни­ ка мелкими частицами шлака.

Экономическая эффективность теплофикационного исполь­ зования тепла отвальных шлаков также недостаточно высока, поскольку установки такого назначения работают примерно- 3000-—40Ö0 ч. в году при весьма кратковременном зимнем максимуме, а выдача шлака агрегатами производится практи­ чески равномерно в течение всего года. При этом удается ис­ пользовать для теплофикационных целей за год значительно менее половины располагаемого теплосодержания отвальных

40

Ш. ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ ФОСФОРА

Использование горючих и тепловых отходов производства возникло и до настоящего времени понимается как проблема экономии топлива. Анализ создавшегося положения с исполь­ зованием горючих и тепловых отходов производства в фосфор­ ной промышленности показывает следующее.

Регенеративное использование тепла могло бы дать опти­ мальное решение задачи, особенно когда оно сопровождается повышением температурного уровня рабочей камеры (нагрев дутья, химическая регенерация), что увеличивает ее произво­ дительность. Однако имеются достаточно жесткие пределы нагрева дутья, да и количество дутьевого воздуха необходи­ мое в процессе производства фосфора ограничено, поэтому таким путем можно использовать незначительную часть тепла горючих и тепловых отходов производства. Нагрев дутья целе­ сообразен только в тех случаях, когда максимальная темпе­ ратура; устанавливающаяся при этом, в рабочей камере не превышает 1700— 1800°С. При достижении более высоких тем­ ператур заметно сказывается диссоциации С02 и Н2 0, сни­ жающая температуру газов.

Следствием диссоциации может явиться значительный хи­ мический недожог или растягивание факела, иногда за преде­ лы рабочей камеры, если в газах имеется достаточное коли­ чество свободного кислорода для дожига продуктов диссо­ циации.

Химическая регенерация тепла горючих отходов производ­ ства, относительно наиболее осуществимая при конверсии природного газа, требует весьма сложных технических реше­ ний и технико-экономической проверки.

Регенерация тепла горючих и тепловых отходов фосфорно­ го производства при нагреве технологических материалов так­ же имеет определенные пределы, достигаемый при этом поло­ жительный результат ограничивается некоторым сокращением энергозатрат.

Энергетическое использование тепла всякого производ­ ственного отхода оказывается необходимым в следующих слу­ чаях:

42

а) если возможности высокотемпературного нагрева дутья исчерпаны, а оставшиеся количества горючих и тепловых от­ ходов еще достаточно велики;

б) когда технологически оправдан только умеренный на­ грев дутья;

в) при полной невозможности регенеративного использо­ вания тепла.

Таким образом, энергетическое использование отходящих газов фосфорных печен безусловно необходимо.

Следует напомнить, однако, что при дополнении производ­ ства энергетическим звеном (паровым котлом) экономится только энергетическое топливо по замещаемой котельной, при некотором возрастании капитальных вложений в производ­ ство, а условия проведения самого производственного процес­ са не меняютя.

Энергетическое использование тепла отходов фосфорного производства достигает максимальной экономической целесо­ образности при его централизованном использовании. В то же время аппараты-источники горючих и тепловых отходов фос­ форного производства имеют ограниченную агрегатную произ­ водительность. Следствием этого является распыление, отно­ сящегося к этим агрегатам, теплонспользующего оборудова­ ния, что повышает их начальную стоимость и эксплуатацион­ ные расходы, а также чрезвычайно затрудняет выработку па­ ра современных высоких параметров. Так, например, совре­ менный крупный фосфорный завод, производящий 260 0 0 0 т фосфора в год и перерабатывающий около 60% фосфора в термическую фосфорную кислоту, мог бы обеспечить за счет использования тепла сгорания фосфора и отходящих газов

пара высоких параметров, если бы этот пар вырабатывался в двух-трех котельных агрегатах. Полученная при этом электроэнергия имела бы минимальную стоимость и могла быть использована в базовой части графика нагрузки любой энергосистемы, особенно при учете большой длительности ис­ пользования агрегатов-источников горючих и тепловых отхо­ дов (/і==8000 ч/год). Однако, для производства и переработки такого количества фосфора требуется в настоящее время бо­ лее десятка фосфорных печей и установок по производству термической фосфорной кислоты. Каждая из них будет осна­ щена теплоиспользующим оборудованием средней паропропз-

водителыюсти, очевидно, что в этих условиях может выраба­

43