Формулировка задачи

В России, как и в других странах, накоплены техногенные отходы в добывающих и перерабатывающих отраслях в объемах, измеряемых в миллионах и миллиардах тонн. К ним относятся вскрышные породы при добыче руд и углей, отходы обогащения и переработки с содержанием извлекаемого элемента (углерода, железа) от 20 до 50 %. В то же время содержание добываемых элементов, например, железа, в рудах постоянно снижается. Богатые руды исчерпываются и в разработку вовлекаются месторождения с содержанием железа около 20 %. Полигоны отходов отрицательно влияют на экологию. Актуальным решением является разработка экологически чистой и рентабельной технологии и оборудования для переработки техногенных отходов.

Предлагаемое решение

Лучшим решением задачи переработки техногенных отходов является, по мнению авторов, применение барботажной технологии, реализуемой в печах Ванюкова, РОМЕЛТ, АБШР.

В основе печей и процессов Ванюкова и РОМЕЛТ [1], разработанных учеными МИСИС, лежит принцип интенсивного перемешивания основных реагентов в жидкой фазе, обеспечивающий интенсификацию процессов тепло- и массопереноса и соответствующее ускорение реакций получения целевых продуктов (никеля, меди, железа, и др.). В результате происходит рост производительности с 1 м2 печи в десятки раз по сравнению со слоевыми процессами в шахтных и ванных печах. Если в цветной металлургии печи Ванюкова, где источником энергии является автогенный процесс горения серы, безальтернативно работают при производстве никеля и меди, то в черной металлургии процесс широкомасштабного внедрения этой перспективной отечественной технологии остановлен. И это, несмотря на успешные исследования ученых специализированной лаборатории МИСИС под руководством д.т.н. В.С. Валавина, убедительно доказавших снижение себестоимости чугуна, полученного в агрегате РОМЕЛТ на Новолипецком металлургическом комбинате, на 30 % по сравнению с доменным чугуном при выплавке в периодическом режиме более 40 000 т чугуна. Причина, по мнению авторов, состоит в отсутствии действующего в черной металлургии производства с низкой себестоимостью железа по барботажной технологии РОМЕЛТ. По нетехническим причинам заморожен процесс пуска завода с печью РОМЕЛТ и в Мьянме.

На основе понимания потенциальных возможностей и перспектив барботажной технологии, ученые и специалисты в ряде организаций (МИСИС, НПП ООО «Энерготерм-система», ООО «Институт Стальпроект» и др.) в стесненных условиях финансирования (вернее, в его отсутствии) продолжают работу по совершенствованию технических решений для оборудования комплекса с барботируемым расплавом и расширению круга решаемых технологических задач.

Так, например, в НПП ООО «Энерготерм-система» в 2018 г. по технологическому заданию заведующего кафедрой Г.С. Подгородецкого был разработан и изготовлен АБШР производительностью по железу 15 000 т/год. Вместо дорогостоящих медных водоохлаждаемых панелей, применяемых в печах Ванюкова и РОМЕЛТ, были разработаны показавшие высокую эффективность в гарнисажеобразовании стальные трубные панели на порядок дешевле. Разработаны также новые конструкции фурм, АСУ охлаждения 49 панелей. Проведенные кампании по выплавке железа показали эффективность ряда примененных технических решений АБШР, однако по нетехническим причинам, в том числе из-за ухода из жизни Г.С. Подгородецкого, работы были остановлены.

Пример расчета технологических параметров АБШР

Например, для варианта содержания железа в железосодержащей компоненте шихты 28 % расчеты по разработанным математическим моделям показывают, что на производство 1 т железа в АБШР расход руды составляет 2,51 т, углерода угля – 0,8 т, нагретого до 1000 К воздуха (без обогащения кислородом) – 7,47 т. По результатам расчета также получено, что себестоимость чугуна из АБШР примерно вдвое ниже себестоимости доменного чугуна.

Энергетический баланс показывает, что содержание энергии в горячих газах, выходящих из АБШР, составляет 19,38 МДж, это 65 % в энергетическом балансе. Возвращается через специальный теплообменник в АБШР в виде горячего воздушного дутья при температуре 1000 К (727 °С) 7,61 МДж/кг Fe, что составляет 25,37 % в энергетическом балансе и 39,27 % теплосодержания дымовых газов из АБШР (рис. 1). Оставшаяся в дымовых газах энергия в количестве 11,77 МДж/кг Fe может использоваться для сушки сырья и отопления помещений.

Актуальность и эффективность предлагаемого решения

Актуальность барботажной технологии обусловлена еще и следующими обстоятельствами:

– мировые запасы богатых железных руд истощаются, включаются в разработку бедные руды с содержанием железа от 20 %, что обуславливает актуальность переработки техногенного сырья с содержанием железа 40 – 50 %;

– на Урале имеются сотни миллионов тонн окисленных никелевых руд, не перерабатываемых в печах Ванюкова, которые могут экономически эффективно перерабатываться в АБШР, особенно с учетом получения из жидкого шлака строительных материалов;

– ежегодно в России образуется более 8 млрд т отходов, из них используется и обезвреживается от 20 до 67 %, общее же количество накопленных отходов по России оценивается в 100 млрд т [2; 3].

В НПП «Энерготерм-система» в течение двадцати лет ведется работа как по разработке технологических регламентов переработки в барботируемом расплаве ряда видов техногенного сырья, так и по разработке конструктивных решений АБШР с целью повышения их эффективности [4 – 8]:

– замена дутья с содержанием кислорода 40 – 80 % на горячее воздушное дутье с температурой 700 – 900 °С путем нагрева воздуха отходящими из АБШР горячими газами с температурой 1400 – 1600 °С в специально спроектированном из жаропрочных труб теплообменнике;

– выпуск металла и шлака через сифон с тремя электродами, изменением заглубления которых в шлак можно поддерживать на требуемом уровне как температуру металла, так и температуру шлака, который перерабатывается в товарную продукцию (цементный плавленый клинкер, щебень, камнелитейные изделия);

– организация схемы подачи шихты в рабочее пространство АБШР с обеспечением экранирования панелей и усвоения части тепла отходящими газами.

Кроме разработки конструктивных решений выполнялись технологические расчеты:

– по переработке железосодержащих шлаков и шламов в рентабельное железо и продукцию из шлака;

– по переработке золошлаковых отходов (ЗШО);

– по производству плавленого цементного клинкера;

– по производству ферромарганца с вдвое меньшей себестоимостью по сравнению с его производством в руднотермических электропечах;

– по совместной переработке лигнинных отходов Байкальского целлюлозно-бумажного комбината и ЗШО (рядом расположенных);

– по переработке терриконов угольных шахт и шламов углеобогащения с содержанием углерода на уровне 50 %.

Ниже приведен пример оценки эффективности переработки железосодержащего шлака в АБШР с содержанием железа 20 %.

Основные статьи себестоимости 1 т железа, руб/т: 6 т шлака – 600; 1 т угля – 5000; фонд оплаты труда (ФОТ) основных рабочих (при зарплате 150 000 руб/мес., производительности АБШР по железу 21 000 т/мес., численности персонала цеха с АБШР 100 человек, минимальной цене железа 20 000 руб/т) – 100·150 000/21 000 = 715; уголь (при цене 5000 руб/т и расходе угля 1 т на 1 т железа ) – 5000; электроэнергия для приводов и освещения (при цене 7 руб/кВт·ч и расходе 270 кВт·ч/т Fe) – 1890; накладные расходы (100 % от ФОТ) – 715. Итого себестоимость 1 т железа – 8920 руб. При цене реализации железа даже как высококачественного лома по 20 000 руб/т доход (прибыль до вычета налога на прибыль) с 1 т составит 20 000 – 8920 = 11 080 руб., а годовая прибыль составит 250 000·11 080 = 2,77·109 руб. = 2,77 млрд руб. Кроме того, попутно полученный (все затраты практически отнесены на железо) высококачественный плавленый цементный клинкер в количестве 1,25 млн т/год при цене реализации как минимум 3000 руб/т даст доход 1,25·3000 = 3750 млн руб. = 3,75 млрд руб. Таким образом, срок окупаемости инвестиций ориентировочно в 5 млрд руб. составит приблизительно 1,5 года работы завода.

При использовании барботажной технологии в АБШР происходит экологически чистая и рентабельная переработка всех видов твердых бытовых отходов (несортированных отходов, остатков при сортировке и отходов, хранящихся на старых свалках).

На рис. 2, 3 представлены нижняя и верхняя части АБШР в процессе изготовления на заводе НПП «Энерготерм-система в Истре. Вместо дорогостоящих медных водоохлаждаемых панелей разработаны и изготовлены трубные водоохлаждаемые панели, более эффективные по гарниссажеобразованию. Момент выпуска железа из АБШР показан на рис. 4.

Анализ применения дуговых электропечей для переработки железосодержащих отходов в виде брикетов [9], а также обзор термических и химических технологий обезвреживания различных видов отходов [10 – 13] показывает высокую стоимость переделов и сравнительно низкую производительность. Ежегодный рост количества техногенных отходов увеличивает экологическую нагрузку на среду и повышает актуальность решения задач переработки техногенных отходов [14 – 17] и внедрения инновационной отечественной барботажной технологии.

Основными преимуществами отечественной барботажной технологии являются:

– использование в качестве энергоносителей дешёвых местных углей вместо дорогостоящего кокса и участие в технологическом процессе содержащихся в отходах углеводородов;

– высокая производительность и экономичность процесса благодаря интенсификации тепло- и массопереноса в барботируемом шлаковом расплаве;

– отсутствие предварительной подготовки шихты (окомкования, агломерации);

– безотходность благодаря возврату отходов и пыли системы газоочистки в АБШР;

– высокая рентабельность технологии и низкая себестоимость продукции, обусловленные дешевой ценой применяемых энергоносителей и производством высокорентабельной продукция из шлака (строительного щебеня, камнелитейных изделий) (рис. 5).

Выводы

В России разработана эффективная барботажная технология, подкрепленная обширным практическим опытом. Создан прочный фундамент для масштабного распространения данной технологии в различных отраслях промышленности. Технология открывает широкие возможности как для организации производства с существенно сниженной себестоимостью (в 2 – 3 раза по ряду продуктов) многих видов рыночной продукции (железа, ферромарганца, плавленого цементного клинкера, плавленых фосфатов, камнелитейных изделий и др.), так и для рентабельной и экологически чистой переработки техногенных и бытовых отходов.