Спосіб утилізації червоного шламу і феросплавного газу

Реферат: UA 67879 U UA 67879 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до металургії, зокрема, до отримання синтетичних вуглецевих матеріалів і може знайти застосування в хімічній, електротехнічній промисловості, виробництві будівельних матеріалів мінеральних в'яжучих, та інших галузях. Червоний шлам (ЧШ) - великотоннажні промислові відходи виробництва глинозему з бокситів за способом Байєра. В Україні червоний шлам утворюється щорічно в кількості не менше 1 млн. т. Відвали червоного шламу представляють загрозу для навколишнього середовища і займають величезні території. Спільного рішення проблема утилізації на сьогоднішній день не має. Феросплавні гази (ФГ) - колошникові гази, що відходять від закритих феросплавних печей, 3 викид яких за всіма феросплавними заводами України досягає 2 млрд.м /рік. Висока теплотворна здатність газів, що відходять, робить можливим їх використання в якості палива, а високе відношення СО+Н2+СН4 до СО2+О2+Н2О дозволяє віднести їх до відновних газів з високим вуглецевим потенціалом. Основна маса цих газів на сьогоднішній день спалюється на свічках, що неможливо визнати доцільним рішенням проблеми їх утилізації, тому що крім втрати безцінної сировини в повітряний басейн скидається значна кількість токсичних речовин і споживається величезна кількість атмосферного кисню. Основною перешкодою на шляху реалізації схеми, що розробляється, є необхідність доочищення ФГ від сірчастих сполук. Найбільш близьким за сукупністю ознак до способу, що заявляється, є спосіб [Особенности процесса получения сажистого железа с использованием колошниковых газов металлургических агрегатов / Н.Ф. Колесник, Э.В. Приходько, Ю.С. Ахматов [и др.] // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 1988. - № 2. - С. 8-11.] утилізації червоного шламу з отриманням сажистого заліза. Спосіб включає обробку нерухомого шару залізорудного матеріалу в герметичному реакторі попередньо очищеним від каталітичних отрут колошниковим газом феросплавних печей при температурі в реакторі 550 °С, швидкості циркуляції газу в контурі 40 л/хв., швидкості підживлення свіжим газом 3 л/хв. Сажисте залізо, отримане при взаємодії колошникових газів з залізорудними матеріалами, складається з вуглецю, заліза, кисню і водню, причому сума вмісту вуглецю і заліза практично не залежить від їх співвідношення і знаходиться на рівні 91,5-93,5 %. Рентгеноструктурним аналізом виявлені наступні фази: карбіди заліза (Fe 3C, Fe5C2), оксиди (Fe3O4, FeO), вуглець (кристалічний у формі графіту і аморфний) і залізо (-Fe). У міру збільшення ступеня навуглецювання вміст графіту зростає, а карбідів і оксидів зменшується. Червоний шлам використовується як каталізаторутворюючий матеріал і дає задовільні результати як за виходом кінцевого металовуглецевого продукту, так і за швидкістю протікання процесу. Зазначений спосіб має ряд недоліків. Одним з них є відсутність попередньої підготовки шламів і феросплавних газів до процесу навуглецювання червоного шламу, що негативно впливає на швидкість процесу термокаталітичного розпаду СО-вмісного газу. В основу корисної моделі поставлено задачу розробки способу утилізації червоного шламу і феросплавного газу, в якому, за рахунок застосування додаткових операцій, забезпечується зниження витрат і отримання нових кінцевих продуктів - металовуглецевих матеріалів на основі карбіду заліза. Для вирішення поставленої задачі в способі утилізації червоного шламу і феросплавного газу, що включає навуглецювання залізовмісних компонентів шламу у вуглецевмісній газовій фазі згідно з корисною моделлю з червоного шламу виділяють піщані фракції (50-100 мкм), промивають і після сушіння до вологості не більше 20 % піддають навуглецюванню при температурах 500-520 °С в атмосфері феросплавного газу, попередньо очищеного від сірчастих сполук суспензією червоного шламу. Червоні шлами належать до вологоємних осадів, з яких важко виділити вологу як фізичними, так і термічними способами. Особливістю шламів є його так звана «сітчаста» структура, вузли цієї сітки - великі кристали гематиту, а нитки, що зв'язують, - частинки гідроалюмосилікатів колоїдного розміру. Цим обумовлена наявність закритих об'ємів в структурі шламу, де влага знаходиться в фізично зв'язаному стані. Крім того, зниження вологості шламів потребує додаткових енерговитрат, що значно здорожчує спосіб утилізації. Наявність водню та парів води збільшує швидкість процесу термокаталітичного розпаду моноксиду вуглецю. Тому вологість шламу порядка 20 % забезпечить проведення процесу навуглецювання червоного шламу. Температурний інтервал 500-520 °С - є оптимальним для отримання переважно карбідних фаз в кінцевому металовуглецевому продукті, тому що при температурі нижче 500 °С ще не 1 UA 67879 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 закінчилися реакції відновлення оксидів, а при більш високих температурах (вище 520 °С) починається процес активного видалення вільного вуглецю. Червоний шлам в початковому стані перебуває у вигляді суспензії з співвідношенням тверде:рідке на рівні 1:3. Для використання червоного шламу в якості сировини проводять гідроциклонну сепарацію суспензії. Потім здійснюють фільтрування окремих фракцій з подальшим зневодненням на вакуумному фільтрі, після чого піддають сушці на повітрі при температурі 130 °С до залишкового вмісту вологи не більше 20 %. Надалі матеріал червоних шламів подрібнюють в обертовому млині з одночасним збиранням різних дрібнодисперсних фракцій. Після подрібнення матеріал розсіюють і аналізують. Основна маса матеріалу червоних шламів має крупність 95 %. Активація шару оксидів заліза за допомогою рухомої решітки активатора призводить до руйнування навуглецьованого шару і прокидання продукту в розвантажувальну камеру. Потім металовуглецевий матеріал надходить на розмел в кульовий млин. Новоутворена після процесу навуглецювання газова суміш, яка містить 40-50 % СО2, надходить на очищення і потім знову подається в робочий реактор. Таким чином, забезпечується рециркуляція СО-вмісного газу і максимальне використання моноксиду вуглецю. Взаємодія оксидів заліза з СО-вмісними газами протікає через ряд послідовних стадій спочатку відновлення до певної міри металізації, потім навуглецювання. Рентгеноструктурний і хімічний аналізи кінцевих продуктів навуглецювання свідчать про наявність в зразках аморфного вуглецю, графіту, заліза і його карбідів Fe3C, Fe2C, причому вміст карбідних фаз є переважаючим. Спосіб був випробуваний в лабораторних умовах. Приклад. У дослідах в якості каталізаторутворюючих матеріалів використовували підготовлений сухий осад червоного шламу глиноземного виробництва ВАТ «Запорізький алюмінієвий комбінат» фракції 50-100 мкм. Навуглецювання зразків проводили газом, що відходить від закритої феросплавної печі, попередньо очищеним від сполук сірки. Газ мав наступний склад (% об.): CO - 85,4; СО2 - 3,6; 3 H2S - 0,3; Н2 - 4,0; N2- 6,3; SO2- 0,017; О2 - 0,33. Вміст мікродомішок в газі: NH3 - 0,3 мг/нм ; CS2 3 3 3 0,73 мг/нм ; H2S - 4,63 мг/нм ; HCN - 30,43 мг/нм . Відносна вологість газу 68 %. Швидкість циркуляції газу в контурі - 0,6 л/с; швидкість підживлення свіжим газом - 0,05 л/с. У кварцову трубку діаметром 16 мм поміщали 15 шарів ЧШ крупністю 50-100 мкм, шари відокремлювали один від одного мідної сіточкою, вага шламу в кожному шарі становила 3 г. 3 Дослід проводили при температурі 500 °С і витраті газу 250 см /хв, час продувки газу через реактор склав 5 год 20 хв. Вага зразків до і після процесу навуглецювання, а також хімічний склад отриманих продуктів за вмістом сірки і вуглецю представлені в таблиці. З наведених даних випливає, що інтенсивне поглинання сірки шламом закінчується на самому початку реактора і відразу ж різко зростає швидкість навуглецювання, максимум якої відповідає четвертому шару шламу в реакторі. Вміст сірки в кінцевому продукті в шарах вище третього залишається постійним на рівні вихідного вмісту її в шламі, що свідчить про повне поглинання сірчаних компонентів в перших трьох шарах. Наявність максимуму за вмістом вуглецю обумовлено збільшенням швидкості розпаду СО в міру зменшення концентрації сірчастих компонентів у газі з одного боку, а з іншого боку зменшенням вмісту СО в газі після фільтрації його через перші п'ять шарів. До кінця реактора вміст вуглецю дещо зростає, що, очевидно, пов'язано з нерівномірністю розподілу температури по довжині реактора. 2 UA 67879 U Таблиця Результати досліду з навуглецювання багатошарового стовпа ЧШ феросплавним газом № 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 5 10 15 20 25 30 35 Вага зразка, г до досліду 3,1400 3,0311 3,0294 3,0525 3,0231 3,0100 3,0579 3,0042 3,0024 3,0188 3,0125 3,1028 3,0230 3,0035 3,0717 після досліду 3,2251 3,1459 4,0038 4,0950 3,4800 3,1130 3,1015 3,1562 2,9727 3,0710 3,0304 3,1645 3,0388 3,0859 2,9878 Хімічний аналіз, % мас. Сзаг Sзаг 2,00 1,864 3,65 0,093 11,12 0,011 23,28 0,006 23,91 0,016 2,60 0,014 2,07 0,014 1,29 0,018 1,16 0,016 1,21 0,016 1,45 0,014 1,58 0,017 1,83 0,017 2,60 0,011 3,00 0,016 Проаналізувавши фазовий склад компонентів у кожному шарі, можна виділити три основні зони: 1) 1-2 шар - максимальний вміст сірки (= до 25 %), невеликий вміст вуглецю - в основному карбідного (= до 8 %), вміст Feзаг - до 75 %; 2) 2-4 шар - карбідні фази (Fe3C, Fe5C2), значне зменшення кількості сірки, оксидів заліза (Fe3O4, FeO), залізо (α-Fe), а також виділення вільного вуглецю (кристалічний у формі графіту); 3) 4-15 шар - збільшення вмісту вільного вуглецю, зменшення вмісту карбідних фаз, практично повна відсутність сірки. Застосування запропонованого способу утилізації червоного шламу і феросплавного газу і отримання металовуглецевого матеріалу на основі карбіду заліза забезпечує наступні переваги: - з причини того, що червоний шлам перебуває у вигляді суспензії з високим вмістом вологи, він повинен в обов'язковому порядку піддаватися процедурі попередньої підготовки, а саме, сепарації з виділенням піщаних залізовмісних фракцій і обезводнення до вмісту вологи не більше 20 %. Попередня підготовка дозволить отримати і в подальшому використовувати практично зневоднену фракцію червоного шламу багату сполуками заліза; - після відповідної підготовки отриманий сухий осад червоного шламу цілком придатний для використання в якості каталізатора реакції розпаду монооксиду вуглецю. Процес відновлення оксидних фаз заліза відбувається при температурах 450-470 °С, а навуглецювання і карбідування - при температурах 500-520 °С; - добавки, що входять до складу шламу, виявляють промотуючи властивості відносно реакції утворення карбідів заліза і утворення вільного вуглецю, тим самим знижуючи температуру початку взаємодії і підвищуючи швидкість процесу; - гази закритих феросплавних печей, маючи високий вміст монооксиду вуглецю, придатні для утилізації червоного шламу, однак вимагають попереднього очищення від сірковмісних сполук; - суспензія червоного шламу, маючи у своєму складі гідроалюмосилікати натрію високопористі цеоліти з унікальною кристалічною структурою, є недорогим адсорбентом для очищення газів від сполук сірки. Спосіб, що заявляється, дає можливість застосування червоних шламів глиноземного виробництва і колошникових газів феросплавного виробництва в якості сировини для одержання перспективних металовуглецевих матеріалів широкого призначення. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб утилізації червоного шламу і феросплавного газу, що включає навуглецювання залізовмісних компонентів шламу у вуглецевмісній газовій фазі, який відрізняється тим, що попередньо з червоного шламу виділяють піщані фракції (50-100 мкм), промивають і після 3 UA 67879 U сушіння до вологості не більше 20 % піддають навуглецюванню при температурах 500-520 °С феросплавним газом, попередньо очищеним від сірчастих сполук суспензією червоного шламу. Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4