Моделирование распределения компонентов, выделившихся из замасленной окалины, между водо-газо-пылевыми средами системы газоочистки доменной печи

Введение

Актуальным направлением повышения экологичности процесса производства и обработки черных металлов является рециклинг техногенных отходов в производство [1; 2]. Одним из наиболее ценных железосодержащих видов отходов предприятий черной металлургии является окалина прокатных цехов [3 – 5], которая состоит почти исключительно из оксидов железа (содержание железа на уровне 69 – 72 %) и практически не содержит пустой породы [6; 7]. Различают две разновидности прокатной окалины, отличающихся размером частиц и содержанием масла. Крупная фракция (+2 мм) прокатной окалины (до 70 – 80 % от общего ее количества) с содержанием масла менее 3 % эффективно утилизируется в аглошихту. Мелкая разновидность окалины (размер частиц менее 100 мкм) содержит значительное количество масла (до 20 – 30 %) и ее утилизация в аглошихту затруднена. При спекании аглошихты с повышенным содержанием масла происходит испарение его несгоревших остатков с формированием в окислительных зонах газового тракта агломашины взрывоопасных смесей, а после конденсации масла происходит загрязнение лопаток эксгаустера и сокращается их ресурс [8].

Альтернативные способы утилизации замасленной прокатной окалины предполагают предварительную химическую обработку окалины (отмывание растворами щелочей и поверхностно-активных веществ) [9; 10] или предварительную термическую обработку (роторные вращающиеся печи, термостаты, смесители) [11; 12] с последующей переработкой обезмасленного продукта в агломерационном переделе [14; 15] или брикетировании [16]. Однако в промышленном масштабе перечисленные методы предварительной подготовки замасленной окалины не реализованы по технико-экономическим соображениям, поэтому в целом проблема остается нерешенной.

Современной альтернативой многоступенчатой и дорогостоящей подготовки замасленной прокатной окалины к доменной плавке через агломерацию или брикетирование с предварительным обезмасливанием является разработка способа утилизации замасленной окалины прямой загрузкой в доменную печь [17; 18]. Согласно патенту [17], для загрузки замасленной окалины в доменную печь вместо малопрочных брикетов из нее можно использовать металлическую упаковку в виде контейнера, плавящуюся при температуре не менее 1500 °C. Этот способ отличается минимальным количеством дополнительного оборудования, сокращает время подготовки, устраняет необходимость дополнительного хранения и утилизации извлеченных органических соединений, очищения загрязненной оборотной воды. Однако при загрузке окускованной замасленной прокатной окалины в доменную печь неполное разложение паров масла, фильтрующихся через слой шихтовых материалов, может осложнить работу газоочистного оборудования печи [19]. В связи с этим целесообразно оценить влияние масла замасленной окалины на состав колошниковой пыли, доменных шламов, шламовой воды и формирование газовой фазы в газоотводах доменной печи.

Материалы и методы исследования

В настоящей работе распределение масла между различными видами отходов газоочистки доменного производства (пылью, шламом и шламовой водой) оценивали посредством физического моделирования с использованием вертикальной трубчатой электропечи. На нагретый до 500 °C слой из агломерата и окатышей Михайловского ГОК крупностью 10 – 12 мм массой 0,6 кг порционно подавали смесь из имитировавших по компонентному и фракционному составам колошниковой пыли и шламов вакуумной фильтровальной установки (ВФУ) в соотношении 36:64.

Железорудное сырье (ЖРС) размещали в изотермической зоне печи. Его массу определяли по результатам расчета количества материалов, располагающихся над горизонтом интенсивного испарения масла в печи. Согласно математическому моделированию теплового состояния металлического контейнера с замасленной окалиной интенсивное испарение масла в доменной печи начинается после его загрузки и опускания вдоль шахты на глубину, соответствующую примерно трем подачам. В результате пары масла проходят через слой железорудного сырья, примерно соответствующий по высоте трем подачам [20 – 22].

Для создания тока газа, в котором происходит смешение пыли и масла, использовали аргон первого сорта (99,987 %) по ГОСТ 10157 – 2016 (расход 70 л/мин), что обеспечивало величину критерия Рейнольдса, соответствующего фактическому газодинамическому режиму в зоне рудного гребня доменной печи. На выходе из печи была установлена широкая емкость для осаждения пыли, моделирующая циклон газоочистки доменной печи, а далее по ходу движения газа находилась емкость с водой, моделирующая водную газоочистку газа в скрубберах с улавливанием наиболее тонких фракций пыли и отбором шлама (см. рисунок).

Параметры движения газа и материалов в лабораторной установке моделировали для следующих условий работы доменной печи:

– среднесуточный расход железорудного сырья – 6278 т;

– доля окатышей от массы железорудного сырья – 36 %;

– среднесуточный расход замасленной окалины (1 % от массы железорудного сырья) – 63 т;

– среднесуточное производство чугуна – 3798 т;

– среднесуточный выход колошникового газа – 7 139 563 нм³;

– содержание масла в замасленной окалине – 15 %;

– масса масла в замасленной окалине – 9,4 т;

– содержание воды в замасленной окалине – 10 %;

– масса воды в замасленной окалине – 6,3 т;

– масса железорудного сырья в одной подаче – 39 т;

– выход колошниковой пыли – 4,6 кг/т чугуна;

– выход шламов вакуумной фильтрационной установки – 8,1 кг/т чугуна.

Компонентный состав пыли для лабораторных экспериментов был следующим:

1. «Колошниковая пыль» (36 % от общей массы):

– по фракционному составу: 10 % класса 1 – 3 мм и 90 % класса 0 – 1 мм;

– по компонентному составу:

     – 75 % железорудной смеси (64 % агломерата и 36 % окатышей);

     – 25 % коксовой пыли.

2. «Шламовая часть» (64 % от общей массы):

– по фракционному составу: 100 % класса 0 – 0,2 мм;

– по компонентному составу:

     – 75 % железорудной смеси (64 % агломерата и 36 % окатышей от общего ее количества);

     – 25 % коксовой пыли.

В процессе исследования отбирали пробы газа, анализировали их на содержание одно-, двух- и трехатомных газов, а также легких углеводородов с использованием газохроматографического комплекса «Хроматэк Кристалл 5000». Для анализа использовали насадочную колонку HayeSep Q длиной 3 м и насадочную колонку NaX длиной 3 м с предколонкой Carboxen длиной 0,5 м.

Отбирали пробы масла и выявляли в нем содержание семи полиядерных ароматических углеводородов (ПАУ) (флуорен, фенантрен, антрацен, флуорантен, пирен, хризен, бензо(а)пирен), входящих в список из 16 ПАУ, классифицируемых Агентством по охране окружающей среды США (US Environmental Protection Agency, US EPA) как приоритетные загрязняющие вещества. Хроматографический анализ масла проводили с использованием капиллярной колонки CR-5ms (5 % дифенил / 95 % диметил(поли)силоксан), 30 м × 0,32 мм × 0,25 мкм.

Результаты исследования

Результаты расчетов параметров лабораторного исследования:

Для определения содержания масла провели термогравиметрический анализ собранных образцов пыли и шлама при нагреве их в среде аргона. В результате потери массы составили: для пыли – 5,2 %, для шлама – 4,9 %. При соотношении между пылью и шламом 36:64 общее содержание масла в образцах шлама и пыли после опыта составило 5,0 %.

Результаты упаривания воды из емкости 6 после окончания опыта не показали наличия значимого количества масла в водной фазе. Концентрацию аэрозоля масла после водной очистки определяли из парогазовой пробы, отобранной с использованием насоса-пробоотборника НП-ЗМ в соответствии с ГОСТ Р 51945 – 2002. Для определения применяли трубки индикаторные на аэрозоли масел.

Таким образом, по результатам лабораторных экспериментов распределение масла было следующим, % от исходного количества масла:

– 74,8 – разложение на слое ЖРС, соответствующем трем подачам;

– 9,1 – переход в колошниковую пыль;

– 15,9 – в составе шлама ВФУ;

– 0,2 (30 мг) – проходит мокрую газоочистку в форме аэрозоля.

При проведении экспериментов на стенках трубопровода наблюдали незначительное количество сажи. В воде мокрой газоочистки масло отсутствовало. Это свидетельствует о почти полной адсорбции его взвесью мелких частиц коксовой пыли, которая в дальнейшем была отфильтрована, высушена и вошла в состав шлама вакуумной фильтрационной установки. В промышленных условиях указанный фактор облегчит обработку оборотной воды.

Проанализирован химический состав газовой фазы с продуктами разложения масла. Для разных газовых проб содержание основных компонентов находилось в следующих интервалах: 70 – 90 % H₂; 1 – 5 % CO; 0,5 – 7,0 % CO₂; 3,2 – 22,2 % СH₄; 0,1 – 2,5 % Σ (C₂H₄, C₂H₆, C₃H₆, C₃H₈). Происхождение компонентов газовой фазы связано с протеканием процессов разложения масла по трем основным направлениям:

1 – (каталитическое) дегидрирование углеводородов масла с разрывом связей C – H. Проходит с выделением газообразного водорода и образованием непредельных соединений, склонных к полимеризации и окислению. Интенсифицируется оксидами кальция, железа, марганца;

2 – (каталитический) крекинг углеводородов масла с разрывом связи C – C. При крекинге выделяются углеводороды меньшей молекулярной массы, в том числе газообразные углеводороды (метан, этан, пропан, бутан). Существенно интенсифицируется при наличии в силикатной связке агломерата сложных силикатов и алюмосиликатов, таких как пироксен, оливины и др.

3 – восстановление оксидов железа с образованием оксидов углерода CO и CO₂. Интенсифицируется при увеличении температуры и использовании железорудного сырья с повышенным показателем восстановимости.

Результаты анализа проб масла на содержание в нем некоторых полиядерных ароматических углеводородов представлены в таблице. Согласно результатам, содержание контролируемого в России бензо(а)пирена в парах масла не превышает 0,00058 %.

Выводы

Экспериментально проведена оценка распределения масла замасленной окалины между различными видами отходов газоочистки доменного производства (пылью, шламом и шламовой водой) посредством физического моделирования с использованием вертикальной трубчатой электропечи. Смесь агломерата и окатышей Михайловского ГОК (крупность 10 – 12 мм, масса 0,6 кг) имитировала по компонентному и фракционному составам колошниковую пыль и шламы вакуумной фильтровальной установки в соотношении 36:64. При прохождении через нагретый до 500 °C слой этой смеси 74,8 % масла разложилось на слое ЖРС, соответствующем трем подачам; 9,1 % перешло в колошниковую пыль; 15,9 % перешло в шлам ВФУ. Мокрую газоочистку масло (0,2 %) проходило в форме аэрозоля; в воде мокрой газоочистки оно отсутствовало.

Газовая фаза процессов разложения масла содержала 70 – 90 % H₂; 1 – 5 % CO; 0,5 – 7,0 % CO₂; 3,2 – 22,2 % СH₄; 0,1 – 2,5 % Σ (C₂H₄, C₂H₆, C₃H₆, C₃H₈). На стенках трубопровода наблюдалось незначительное количество сажи, из чего следует возможность ее осаждения в газоотводах доменной печи.