стендовой установке МЭИ с циклоном диаметром 0,4 т и высотой 1,38 м производительностью колчедана 2—2,5 т/сутки [6]. Колче дан с первичным воздухом вводился в камеру через вертикальную турбулентную горелку со скоростью 5—6 м/сек. Вторичный воздух подводился тангенциально по двум соплам со скоростью 9—16 м/сек.
Газ и жидкий огарок с температурой 1350—1400° выводились через летку в днище камеры.
Наличие в исходном сырье достаточного количества кремнезема (не менее 10%) обеспечивает получение высокого содержания закиси железа и образование легкоплавкого огарка. Огарок после циклон ной установки не содержит FeS2, Fe20 3 и сульфидной серы. Преобла дающий окисел железа в огарках FeO, а суммарное содержание железа 50—55%. Остаток серы в огарке (в основном в виде FeS) составлял 1,5% и менее. Полученные высокие показатели (произво дительность 10—11 т/мг ■сутки, концентрация S02 в обжиговом газе 12—14% при колебаниях серы в огарке в среднем в пределах 0,5— 2%, к. п. д. улавливания огарка до 90%) позволили разработать схему промышленной энерготехнологической обжиговой установки произ водительностью 70—80 т/сутки. Установка состояла из вертикальной циклонной камеры (первоначально футерованной хромомагнезитом, в последствии замененной гарниссажной футеровкой с принудитель ным охлаждением), экранного парового котла на давление 40 атм и рекуператора для нагрева дутья [7].
Работа установки подтвердила возможность и эффективность высокотемпературного обжига колчедана с получением газов, при годных для производства серной кислоты и расплава огарка, пред ставляющего самостоятельную промышленную ценность.
Выход огарка в циклонных обжиговых установках составляет 0,7—0,75 т на тонну исходного колчедана, а огарок состоит в основ ном из закиси железа при общем содержании железа около 50—55%. Высокотемпературный обжиг колчедана дает возможность использо вать расплавленный огарок для получения чугуна. Расплавленный огарок из печи может поступать в ванну-копильник, в которой вос станавливаются окислы железа. Имеющаяся в расплаве сера (0,3 — 1,5%) удаляется наведением соответствующих шлаков или продувкой десульфуризующими веществами [8]. Восстановление железа из рас плавленного огарка исключает затраты тепла на его нагрев и плав ление, что является достоинством этого метода в сравнении с другими, в частности с разработанным в Канаде, который предусматривает выплавку чугуна в электропечи из смеси пиритных огарков, извест
няка и кокса.
Исследование процесса непосредственного восстановления рас плавленного пиритного огарка [9] показало, что в присутствии флюса
(извести) можно получать на тонну колчедана около 0,3 т чугуна,, содержащего 92—95% железа, 3—3,5 углерода и 0,03—0,06% серы.
В целом проводимые в МЭИ исследования по высокотемператур ному обжигу серного колчедана и непосредственному восстановлению пиритного огарка имеют большие перспективы и способ может найти широкое применение в черной и цветной металлургии. Другим вари антом является разработанная институтами УНИпромедь и ВНИИМТ схема комплексной переработки пиритных концентратов в двухсту пенчатой циклонной установке [10]. Процесс заключается в окисли тельной циклонной плавке пиритного концентрата с применением горячего дутья, обогащенного кислородом, с последующим хлориро ванием расплавленного пиритного огарка во второй ступени установ ки. Тепло, выделяющееся при окислении серы, используется для хлоридовозгонки пиритных огарков. Хлоридовозгоны (смесь хлоридов меди, цинка и незначительное количество хлоридов железа) могут направляться на спецобработку, а железистый расплав в виде гра нул — на заводы черной металлургии в качестве сырья для доменной плавки.
ЦИКЛОННАЯ ПЛАВКА ФЕРРОСПЛАВОВ-
Рафинированные ферросплавы выплавляются в дуговых электро печах. При этом значительная часть электроэнергии расходуется на плавление шихты и лишь небольшая ее часть — на процессы рафини рования [11]. Для лучшего использования технологических возмож ностей электрической печи целесообразно процесс плавления рудно известковых шихт проводить в отдельном агрегате, осуществляя в электропечи лишь процессы восстановления и рафинирования. При такой схеме производительность электропечи возрастает в 3—4 раза по сравнению с существующей. Благоприятные условия для тепло- и массообмена в циклонной плавильной камере создают возможность получить весьма высокие тепловые нагрузки, превышающие почти на порядок значения этой величины, достигнутые для дуговых рафи нировочных электропечей (15—20)-106 и (3—5)-ІО5 ккал/м3-час соот ветственно.
Сучетом опыта применения циклонных камер в энергетических
итехнологических установках было опробовано расплавление мар ганцевых концентратов Никопольского месторождения на стендовой установке МВТУ им. Баумана и последующее восстановление полу ченного расплава в дуговой электропечи мощностью 100 ква [12].
По результатам этих экспериментов была спроектирована и по строена опытная установка циклон-электропечь производительностью 24 т/сутки [12]. Основным узлом установки «УЭП-ДМетИ» является
циклонная плавильная камера диаметром 0,52 м и высотой 1 м, внутг ренняя поверхность которой ошипована и обмазана хромомагнезитоЕой массой. В качестве топлива применялся природный газ, воздуш ное дутье обогащалось кислородом до 50% Ог. Горячие газы вводились в плавильный циклон от двух тангенциально расположенных камер предварительного сжигания (форкамер) через входные туннельные патрубки со скоростью 150—160 м/сек.
Циклонная плавильная камера устанавливалась на одном из торцов ванны дуговой электропечи прямоугольного сечения, пред назначенной для осуществления второго периода плавки — проведе ния восстановительных процессов.
На этой установке проведена серия опытных плавок получения различных ферросплавов, флюсов для электрошлакового переплава и синтетических шлаков для обработки стали в ковше.
Исследования показали принципиальную возможность получе ния различных ферросплавов методом дуплекс-процесса в агрегате циклон — электропечь. Эффективная работа его, как и всякого высоко температурного агрегата, невозможна без использования тепла отхо дящих газов, которые уносят от 60 до 70% всего затраченного тепла. Поэтому в проекте опытно-промышленной установки предусматрива лась работа установки по энерготехнологической схеме, состоящей из плавильного циклона-электропечи и радиационного парового котла со встроенным воздухоподогревателем.
Расчеты промышленных установок различной производительно: сти для разных шихт при нескольких вариантах температуры подо гретого воздуха показывают, что паросиловая установка, работающая на тепле отходящих газов, вырабатывает такое количество электро энергии, которое обеспечивает потребность электропечи, собственные нужды и, кроме того, 35—55% электроэнергии может быть отдано в сеть.
Тепловой баланс комбинированного агрегата, вырабатывающего расплав и электроэнергию, достигает результативного к. п. д. около
55% [13].
Анализ работы циклонных аппаратов применительно к процес сам плавления, окисления сульфидных материалов или частичного восстановления железных руд и концентратов показывает, что на первой ступени — собственно в плавильном циклоне — может осуще ствляться окислительный обжиг пиритных концентратов и достига ется практически полное восстановление ТегОз до FeO. Количество металлического железа при восстановлении не превышает 15—20% от общего содержания железа в полученном продукте.
Таким образом, циклонную камеру в применении к процессам черной металлургии следует рассматривать лишь как аппарат для
обогащения руд, или предварительной подготовки материалов к про ведению процесса восстановления железа, марганца или других ме таллов из жидкого расплава в последующих стадиях до получения чугуна, стали и ферросплавов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Л у р ь е И. Л. Состояние и перспективы развития способов прямого получе ния железа. «Сталь», 1959, № 11.
2. И н о з е м ц е в а Л. В., Ш у р ы г и н А . П. Исследование циклонной плавки железорудных концентратов. В сб.: «Циклонные энерготехнологические процессы и установки». М., 1967.
3. И в а н ц о в Г. П., С м и р н о в В. И., М о л о ч н и к о в Н. В., Ф р а н т о- в а Э. С. и др. Циклонно-конвертерный способ получения чугуна из железорудного ■концентрата. В сб.: «Энерготехнологические циклонные процессы и установки». М.,
1970. |
Г р о м о в |
М. И. и др. Авт. свид. № 672964. «Бюлл. изобр.», 1961, № 6. |
4. |
5. |
Г р о м о в |
М. И., Ж а л е л е в Р. 3., С о р о к и н К. Г. Восстановительный |
обжиг лисаковской руды в впхревых камерах. «Вестник АН КазССР», 1968, № 10. 6. С е м е н е н к о Н. А., С и д е л ь к о в с к и й Л . Н., Ш у р ы г и н А. П. Осно
вы и перспективы применения высокоинтенсивного обжига колчедана при высоких температурах по энерготехнологической схеме. «Химическая промышленность»,
1056, № |
3. |
Н. А. Вторичные энергоресурсы |
и энерготехнологическое |
7. |
С е м е н е н к о |
комбинирование в металлургии. М., 1962. |
Metal Biill.», 1955, 48, |
8. |
Н u n t В. L, |
К w а s п е у Е. Y .— «Canad Mining |
№ 517, |
281. |
В. В., Р ы ж а н к о в Д. И., С и д е л ь к о в с к и й Л. Н. Иссле |
9. |
К о н д а к о в |
дование процесса получения чугуна из пиритных огарков при циклонном обжиге серосодержащего сырья. «Химическая промышленность», 1959, № 8.
10. М я с н и к о в П. А., С т р и ж о в Г. Ф., |
И в а к и н И. А. и др. Комплекс |
ная переработка пиритных концентратов. В сб.: |
«Циклонные энерготехнологические |
процессы». М., 1966.
11. Я с т р е б о в П. В., К о л п а к о в П. С. и др. Получение низкоуглеродисто го феррохрома. «Сталь»-, 1965, № 10.
12. И с а е н к о Н. Ф., Х и т р и к Ю. А. и др. Циклонная плавка ферроспла вов. В сб.: «Циклонные энерготехнологические процессы и установки». М., 1967.
13. С е м е н е н к о |
Н. А. Принципиальные основы и задачи энерготехнологи |
ческого комбинирования |
в промышленной огнетехнике. В сб.: «Циклонные энерго |
технологические процессы и установки». М., 1967.
ПОЛУЧЕНИЕ ОБЕСФТОРЕННЫХ ПЛАВЛЕННЫХ ФОСФАТОВ В ЦИКЛОННЫХ УСТАНОВКАХ
I I а производство фосфорных удобрений и кормовых |
средств за |
трачивается большое количество дорогостоящих |
минеральных |
кислот и электрической энергии. Поэтому в последнее |
время разви |
ваются новые технологические схемы, использующие |
гидротерми |
ческие способы переработки природных фосфатов на удобрения и кор мовые средства.
Обработка природных фосфатов паром приводит к удалению фтора и получению растворимых фосфатов [1—3]. Это обусловило постановку задачи получения новых видов кормовых средств и удоб рений при минимальных затратах в совокупности с получением воз можно большей концентрации в них фосфора [4]. Были разработаны различные технологические схемы гидротермической переработки фосфатов [1, 2, 4—7], основанные на спекании или плавлении ших ты. Первый способ может быть осуществлен во вращающихся печах или печах кипящего слоя. Второй — в шахтной и ванной печах, кон вертере, циклонной камере.
Спекание целесообразно применять главным образом при пере работке природных фосфатов, отличающихся малым содержанием примесей и высокой температурой начала деформации и плавления
[8 ]. При спекании скорость процесса лимитируется диффузией водя
ного пара в твердую фазу. Поэтому оплавление частиц, приводящее к появлению крупных агломератов и затрудняющее диффузию водяно го пара, нежелательно.
Попытки спекания природных фосфатов в промышленных усло виях были предприняты в различное время в США, Германии и дру гих странах. Наиболее подходящими оказались трубчатые вращаю щиеся печи. Однако при их использовании был обнаружен ряд недо статков (неудовлетворительное взаимодействие компонентов шихты с паром, низкая производительность печи и др.) и серьезных трудно стей, главная из которых заключалась в том, что в оптимальном ин тервале температур, необходимом для протекания процесса, материал размягчался, становился пластичным и внутри печи по периметру образовывались настыли. В результате резко снижалось выделение фтора или из-за настыли приходилось останавливать печь. Были попытки изменить конструкцию трубчатой печи, вести процесс обесфторивания природного фосфата в двух последовательно работаю щих трубчатых печах [9, 10], распыливать тонкоизмельченный при родный фосфат в печах [11, 12] и др. Однако эти схемы не нашли практического применения.
Для устранения трудностей, возникающих при производстве обесфторенных фосфатов во вращающихся трубчатых печах, было предложено [13] термическое обесфторивание осуществлять при тем пературах, превышающих на 50—150° точки плавления шихты. По казано также, что при температуре выше 1500° улетучивается свыше 90% F и более 80% Р2О5 переводится в цитратно-растворимую форму
при продувке в течение 5—15 мин сухого пара через расплав природ ного фосфата.
Как отмечалось, процесс спекания приемлем лишь для фосфат ных руд, характеризуемых высокой температурой плавления. Фос фориты Каратау — крупнейшего месторождения в СССР — отличают ся сравнительно низкой температурой плавления, что затрудняет их переработку спеканием.
Подшихтовка фосфоритов известняком не только повышает тем пературу размягчения и плавления смеси, но и вследствие взаимо действия СаО, образующегося в результате диссоциации СаСОз с фос фатным и силикатным компонентами фосфорита увеличивает коли чество Р 2 О 5 , находящегося в лимонно-растворимой форме [14].
Переработку фосфоритов Каратау предлагалось также осуществлять совместно с астраханитом на термофосфаты [15, 16]. Указанные схе мы предусматривают введение значительного количества добавок, что приводит к снижению содержания питательных веществ в получае мом продукте.
Положительный опыт применения циклонного метода при плав лении ряда материалов [17—18], полученный МЭИ, положен в основу комплексных исследований получения плавленых обесфторенных
•фосфатов в циклонном энерготехнологическом агрегате [19—21]. Сущность метода заключается в том, что частицы фосфата, по
падая в поток газа, нагреваются до температуры плавления, фтор, содержащийся в фосфоритах, в присутствии образующихся при сжи гании топлива водяных паров переходит в газовую фазу, а расплав ленный фосфорит выводится через летку на грануляцию [14, 19—22]. Благодаря высокой температуре, развиваемой в рабочем пространстве циклона, большим скоростям движения частиц шихты относительно газовой среды, а также наличию пленки расплава на стенках камеры, обеспечивающей тесное соприкосновение всех компонентов, резко сокращается время, необходимое для реакций.
Процессы, протекающие при плавлении природных фосфатов, в основном те же, что и при спекании [23—24]. В первой стадии при взаимодействии паров воды на расплав фосфата в присутствии крем незема происходит изомерное замещение иона фтора ионом гидро ксила. Образовавшийся гидроксилапатит при высоких температурах нестабилен и распадается по реакции
Са,0(ОН)2(РО4)6—+2Са3(Р04)2 + Са4Р20 + Н20.
В последующей стадии разложение гидроксилапатита в присут ствии кремнезема происходит иначе — с образованием силикатов кальция, которые дают твердые растворы с фосфатом кальция по примерной схеме-
2Саіо(ОН)2(Р04)6 + Si02 = 6Са3(Р04)2+ Ca2Si04 + 2Н20.
В зависимости от количества кремнезема в исходном сырье образуют ся ортоили метасиликаты кальция.
Пл а в к а |
ф о с ф а т о в на |
о п ы т н ы х у с |
т а н о в к а х МЭИ |
и НИУИФ. |
Установка МЭИ |
[25] футерована |
хромомагнезитовым |
кирпичом и снабжена теплоизоляцией из пеношамота. Диаметр пла вильного циклона составлял 0,45 м, высота циклона 2,1 м, и общий объем плавильного пространства 0,33 м3. Печь отапливалась кероси ном, а затем газом. Шихту вместе с первичным воздухом вводили в верхнюю часть плавильного циклона через осевую форсунку с за кручивающим лопаточным аппаратом. Вторичный воздух подавали со скоростью 16—20 м/сек в верхнюю часть циклона через два тан генциальных сопла. Опыты показали высокую степень обесфторивания, но при этом наблюдался значительный унос пыли, обусловлен ный слабой закруткой газового потока. В дальнейшем установка была
реконструирована. В верхней части плавильного циклона тангенци ально были размещены две газовые горелки предварительного сме шения, что увеличило скорость ввода газо-воздушной смеси до 50— 60 м/сек, футеровка циклона заменена хромомагнезитовой обмазкой,, нанесенной на ошипованную водоохлаждаемую поверхность; режим работы плавильного циклона улучшен за счет устройства пережима. Газы при температуре 1350—1450° поступали в двухступенчатый радиационно-конвективный воздухоподогреватель, в котором воздух, подаваемый в циклонную установку, нагревался до 600—700°. Как показали опыты, циклонная печь работает надежно без образования настылей при температуре расплава около 1500°. Эта температура обеспечивала высокую скорость обесфторивания, нормальную работу циклонной камеры и хорошую грануляцию расплава. Во всех опытах наблюдалось низкое содержание фтора в получаемом продукте (0 ,1 — 0 ,2 %) и довольно высокий переход Р2О5 в лимонно-растворимую форму
(до 92%). Удельные нагрузки циклонной камеры поддерживались на уровне 1500—2000 кг/м3 ■час. Повышение удельных нагрузок при постоянной температуре процесса приводило к уменьшению степени обесфторивания.
Опыты показали, что для успешной работы циклонной камеры без настылеобразования при подаче шихты в пристенную область сле дует применять горелочные устройства с практически полным внут ренним смешением газа с воздухом, что обеспечивает короткофакельное и полное сжигание газа с минимальным избытком воздуха [2 0 ].
Гарниссажная футеровка обеспечивает длительную работу пла вильной камеры, так как первоначальная хромомагнезитовая обмазка замещается расплавом, пропитывающим ее на некоторую глубину и образующим прочный монолитный гарниссаж. Толщина гарниссажа в зависимости от развиваемых температур в камере и температу ры плавления перерабатываемого материала, изменяется в пределах
25—35 мм.
С целью проверки полученных результатов в условиях непре рывной и длительной работы, а также для изучения надежности от дельных узлов установки эксперименты по плавке фосфатов прово дились также на циклонной установке опытного завода НИУИФ [14, 26]. Здесь был размещен вертикальный циклон диаметром 0,55 мм и высотой 1,37 м, отапливаемый керосином. Для поглощения фтористых соединений отходящие газы орошались в скруббере содо вым раствором.
Опыты продолжительностью около 12 суток подтвердили основ ные результаты, полученные на циклонных установках МЭИ. Степень обесфторивания достигала 94—98%, а переход Р 2 О 5 в лимонно-раст
воримую форму — 19—21 %.
Ц и к л о н н а я п л а в к а ф о с ф а т о в на о п ы т н о й п е ч и ДСЗ. Опытная циклонная печь, спроектированная Казгипрохиммашем, смонтирована в 1962 г. на Джамбулском суперфосфатном заводе. Установка снабжена циклонной камерой диаметром 0,6 м и высотой 0,9 м. Расплав вместе с газом через пережим направляется в сборник, откуда через летку непрерывно стекает на грануляцию в желоб с хо лодной водой. Благодаря резкому охлаждению происходит сохранение образовавшейся усвояемой a-модификации Саз(Р0 4)2.
Опытные плавки7 проводились при различной производительно
сти по фосфористой муке — от 200 до 500 кг/час. Содержание фтора в готовом продукте изменялось в пределах 0,04—0,07%. Количество Р20 5, растворимой в 0,4% НС1 составляло в среднем 28, а в ли
монно-растворимой форме — 27,0%.
Был проведен ряд плавок фосфорита с астраханитом и отходами, содержащими бор и марганец, а также плавки некондиционных фос фатных руд с 17,3% Р2О5. В целом, исследования подтвердили воз
можность эффективной переработки фосфоритов Каратау на удобре ния и кормовые средства циклонным методом.
Ц и к л о н н а я п л а в к а ф о с ф а т о в |
в о п ы т н о-п р о мыш- |
л е н н о м э н е р г о т е х н о л о г и ч е с к о м |
а г р е г а т е ДСЗ. По |
исходным данным, разработанным МЭИ, НИУИФ, ИХН АН КазССР и техническому проекту ЦКТИ, Белгородский котлостроительный за вод разработал опытно-промышленный энерготехнологический агре гат ЭТА-ЦФ-7 производительностью 7 т/час кормовых фосфатов [38]. Производительность котельного агрегата связана с технологи ческим режимом обработки фосфоритов в циклонной камере и дости гает 30 т/час пара при давлении 40 атм и температуре 450°. Вертикаль ный циклон, имеющий нижний вывод газов, установлен перед радиа ционной камерой охлаждения и соединен с ней горизонтальным газоходом, в конце которого расположен шлакоулавливающий пучок, образованный разведенными трубами фронтового экрана. Летка для удаления фосфатного расплава находится в переходной камере. Ра диационная камера снабжена холодной воронкой для удаления выпа дающих из газового потока твердых частиц.
Агрегат отапливается малосернистым мазутом. Расчетная тем пература газов за шлакоудаляющим пучком 1600°, температура
отходящих |
газов 220°. Внутренний |
диаметр циклона 1,6 м, высо |
та 2,7 м, |
диаметр |
пережима |
0,65 |
м. Трубы, образующие техно |
логический циклон |
и переходную |
камеру, расположены с малым |
шагом и включены |
в контур естественной циркуляции котельного |
агрегата. Внутренняя поверхность циклона покрыта слоем хромомаг |
7 |
Исследования проводили |
сотрудники Джамбулского суперфосфатного заво |
да, МЭИ, ИХН АН КазПСР, НИУИФ и Казгипрохиммаша.
незитовой набивной массы, нанесенной по ошипованным трубам. Об разующийся гарниссаж обеспечивает длительную и беспрерывную работу циклона в условиях высокого теплового напряжения объема циклонной камеры, достигающего 4 • 10е ккал/м3час.
В процессе освоения рассматриваемого энерготехнологического агрегата (ЭТА) установлено, что приемлемая степень обесфторивания фосфатов обеспечивается лишь в случае полного сжигания топлива в верхней части циклона. Высокий уровень температур создает бла гоприятные условия для обработки расплава в пленке, находящейся на стенках циклона. Для этого мазутные механические форсунки, разработанные МЭИ и обеспечивающие тонкий распыл топлива, раз мещаются в воздушных соплах.
Агрегат находится в промышленной эксплуатации с 1967 г., его работа отличается стабильностью по количеству перерабатываемого сырья (6 т/час фосфоритной муки), паропроизводительности ( 2 0 т/час)
и технологическим показателям, в получаемом расплаве содержится
25,5—30,0% Р0О5 (растворимой |
в 0,4%-ной |
соляной кислоте) и до |
0 ,2 % фтора. |
|
|
|
Ориентировочный тепловой |
баланс ЭТА |
выглядит следующим |
образом, %: |
|
|
|
тепло, затраченное на плавление фосмуки (др) — 10— 15 |
тепло пара |
|
|
(дэ) — 65— 7 5 |
тепло, теряемое с уходящими газами |
(дд г) — 10—13 |
потери на излучение и с химнедожогом |
(дп) —1 ,0 —1 ,5 |
тепловой к. п. д. ЭТА |
|
|
gp-|-gH= 80—85 %. |
Приведенный тепловой баланс отчетливо иллюстрирует преиму щества комбинированного энерготехнологического теплоиспользования.
Наконец, необходимо отметить, что получаемые в плавильном циклоне плавленые фосфаты содержат в 1 ,6 раза больше усвояемой
пятиокиси фосфора, чем простой суперфосфат.
В отличие от производства электротермического фосфора опи санный способ не является энергоемким, а, наоборот, позволяет при ежегодном производстве 1 млн. т плавленных фосфатов получать за
счет утилизации тепла более 500 млн. квт-ч дополнительной электро энергии.
При этом следует особо подчеркнуть, что плавка фосфоритов на термофосфаты представляет собой обычную термическую обработку диспергированного сырья, которая не дает предполагаемого эффекта при комплексном энерготехнологическом комбинировании процесса производства черных металлов. Производство обесфторенных плав ленных фосфатов на Джамбулоком заводе расширяется за счет монта жа еще двух энерготехнологических циклонных агрегатов.
