spiekanie zaolejonych odpadów żelazonośnych metodą podwójnej

spiekanie zaolejonych odpadów żelazonośnych metodą podwójnej

Prace IM¯ 3 (2009)
Spiekanie zaolejonych odpadów ¿elazonoœnych metod¹ podwójnej warstwy...
5
Marian NIESLER, Janusz STECKO
Instytut Metalurgii ¯elaza
SPIEKANIE ZAOLEJONYCH ODPADÓW ¯ELAZONOŒNYCH
METOD¥ PODWÓJNEJ WARSTWY Z RECYRKULACJ¥
SPALIN
W artykule omówiono wyniki wariantowych prób spiekania zaolejonych odpadów ¿elazonoœnych z zastosowaniem tzw. „podwójnej warstwy” i recyrkulacji spalin. W zrealizowanych próbach spiekania przy zmiennej wysokoœci górnej warstwy i sta³ej zawartoœci oleju 1%, oko³o 30% zawracanych spalin przyjmowa³y obie po³¹czone warstwy spiekanej mieszanki. Podstawowymi zaletami zmodyfikowanej technologii spiekania s¹ znacznie ni¿sze emisje do atmosfery py³u oraz spalin a w szczególnoœci CO, NOx i SO2. Czynnikiem niekorzystnym by³ wzrost zawartoœci FeO w spieku, spowodowany miêdzy innymi zwiêkszon¹ iloœci¹ paliwa dostarczon¹ do procesu spiekania,
mimo ¿e obni¿eniu uleg³o o 1,5–3,5% zu¿ycie koksiku. Dodatkowym Ÿród³em ciep³a by³o bowiem:
– spalanie produktów olejowych zawartych w górnej warstwie,
– dopalenie CO zawartego w recyrkulowanych spalinach.
Spiek ze zwiêkszon¹ zawartoœci¹ FeO gorzej redukuje siê w warunkach wielkiego pieca, ale jednoczeœnie wykazuje korzystniejsz¹ wytrzyma³oœæ mechaniczn¹.
S³owa kluczowe: zaolejona zgorzelina, mu³ki zgorzelinowe, spiekanie rud, podwójna warstwa, recyrkulacja
spalin
SINTERING OILED IRON-BEARING WASTES BY ”DOUBLE LAYER”
METHOD WITH EXHAUST GAS RECIRCULATION
This article discusses the results of variant tests of sintering oiled iron-bearing wastes by the so-called “double
layer” method with exhaust gas recirculation. In the sintering tests with variable upper layer height and constant
oil content of 1%, approx. 30% of recycled exhaust gases were absorbed by both combined sintered mix layers. The basic advantages of the modified sintering technology are considerably lower emissions of dust and exhaust gas, in
particular CO, NOx i SO2, into the atmosphere. The disadvantageous factor was the increase in FeO content in sinter
caused, among other things, by the increased amount of fuel supplied to the sintering process, in spite of the fact that
quick coke consumption was reduced by 1.5-3.5%, because the additional source of heat was:
– combustion of oil products contained in the upper layer,
– after-burning of CO contained in recycled exhaust gas.
The sinter with increased FeO content reduces worse under the blast furnace conditions, but at the same time it
shows more advantageous mechanical properties.
Key words: oiled scale, mill-scale, ore sintering, double layer, exhaust gas recirculation
1. WSTÊP
2. WARIANTOWE PRÓBY SPIEKANIA
ZAOLEJONYCH ODPADÓW
Z RECYRKULACJ¥ SPALIN
Instytut Metalurgii ¯elaza w ramach Projektu Rozwojowego nr 0394/R/2/T02/06/01 podj¹³ siê opracowania ekologicznego sposobu recyklingu odpadów ¿elazonoœnych zanieczyszczonych substancjami olejowymi. W poprzednich
etapach projektu wykonano wstêpne próby spiekania ¿elazonoœnych zaolejonych odpadów z wykorzystaniem filtruj¹cego dzia³ania warstwy spieku (tzw. technologia spiekania górnej warstwy) [1-3]. Okreœlono wstêpne parametry prowadzenia prób, a nastêpnie przeprowadzono seriê
wariantowych prób spiekania zaolejonych produktów
ubocznych zmieniaj¹c moment za³adowania górnej warstwy [4]. W ramach kolejnego etapu projektu dokonano
wyboru optymalnego wariantu pod wzglêdem emisji i wydajnoœci [5]. W niniejszej pracy przedstawiono wyniki badañ dotycz¹ce spiekania z górn¹ warstw¹ z równoczesnym zawracaniem czêœci spalin do procesu spiekania.
2.1. SPOSÓB PROWADZENIA PRÓB
Laboratoryjne próby spiekania z zastosowaniem górnej
warstwy przy równoczesnej recyrkulacji czêœci spalin
przeprowadzono w uk³adzie spiekania, którego schemat
przedstawiono na rys. 1. Iloœæ doprowadzanych spalin regulowano przepustnic¹ w kominie (rys. 1, punkt 5). Próby
spiekania prowadzono wed³ug sposobu okreœlonego
w pracy [3], który zosta³ zmodyfikowany na potrzeby recyklingu spalin.
Ustalono, ¿e punkt poboru próbek gazu, dla potrzeb analizy ich sk³adu chemicznego za pomoc¹ chromatografu gazowego, zostanie umiejscowiony powy¿ej ruroci¹gu zawracania spalin na króæcu pomiarowym na kominie
(rys. 1, punkt 11). Próby prowadzono wed³ug nastêpuj¹cych wariantów.
6
Marian Niesler, Janusz Stecko
Prace IM¯ 3 (2009)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
Misa spiekalnicza
Miejsca poboru spalin do analizy
Odpylnik cyklonowy
Kryzy pomiarowe
Przepustnice W1, W2 – wentylatory
odci¹gu spalin
Przewód doprowadzenia powietrza,
Pomiar przep³ywu powietrza
Ko³pak przewodu doprowadzania spalin
na misê
Pomiar temperatury spalin
Komin
Króciec pomiarowy
Rys. 1. Schemat laboratoryjnego uk³adu spiekania z recyrkulacj¹ spalin
Fig. 1. Diagram of laboratory sintering system with exhaust gas recirculation
2.2. WARIANT PORÓWNAWCZY – SPIEK
PORÓWNAWCZY
Mieszankê porównawcz¹ zestawiono wg receptury
przedstawionej w tablicy 1. Mieszankê spiekano tradycyjnie na misie spiekalniczej o wysokoœci warstwy 550 mm (I
warstwa podstawowa).
z³o¿ona z mieszanki spiekalniczej i zaolejonych mu³ków
zgorzelinowych (II warstwa). Warstwa tej mieszaniny
o gruboœci 20 mm jest zapalana palnikiem pieca zap³onowego. Obydwie warstwy spiekane s¹ nastêpnie z zastosowaniem recyrkulacji spalin.
Wariant II
Jak w wariancie I. Wysokoœæ II warstwy wynosi³a –
30 mm.
Wariant I
Standardowa mieszanka (I warstwa) o wysokoœci warstwy 550 mm spiekana jest z zastosowaniem recyrkulacji
spalin. Po 19,5 min spiekania, w powsta³¹ w wyniku skurczu spieku woln¹ przestrzeñ, zasypywana jest mieszanina
Wariant III
Jak w wariancie I. Wysokoœæ II warstwy wynosi³a –
40 mm.
Tablica 1. Namiar mieszanki spiekalniczej
Table 1. Excess of sinter mix
Lp.
Komponenty
H 2O
Udzia³ w stanie, kg
Fe
CaO
SiO2
MgO
naturalnym
suchym
%
kg
%
kg
%
kg
%
kg
1
Koncentrat Lebiedyñski
10,1
243,3
218,73
67,94
148,60
4,48
9,80
0,10
0,22
0,31
0,68
2
Koncentrat Sew-Gok
9,8
214,1
193,12
65,03
125,58
8,05
15,55
0,39
0,75
0,54
1,04
3
Koncentrat C-Gok
10,1
29,2
26,27
65,53
17,21
5,75
1,51
0,15
0,04
0,12
0,03
4
Agloruda Kriwbas
4,2
399,0
382,24
60,27
230,38
11,02
42,12
0,78
2,98
0,21
0,80
5
Wapno palone
0,0
15,6
15,60
0,65
0,10
0,82
0,13
79,80
12,45
18,11
2,83
6
¯u¿el 0-8
4,2
27,3
26,16
18,74
4,90
14,77
3,86
38,57
10,09
7,13
1,87
7
Py³y
0,0
29,2
29,20
51,21
14,95
6,61
1,93
10,85
3,17
1,45
0,42
8
Walcowina
4,1
15,6
14,96
72,02
10,77
1,80
0,27
1,24
0,19
0,71
0,11
9
Dolomit
5,6
29,2
27,56
0,88
0,24
1,24
0,34
30,90
8,52
19,20
5,29
10
Kamieñ wapienny
0,9
129,4
128,21
0,25
0,32
1,90
2,44
53,86
69,05
0,49
0,63
11
Koksik (11 % pop.)
10,0
52,3
47,07
1,13
0,53
4,13
1,94
0,72
0,34
0,11
0,05
6,3
1184,2
1109,11
55,36
553,60
7,99
79,89
10,78
107,79
1,37
13,75
Œrednia /Suma
Prace IM¯ 3 (2009)
Spiekanie zaolejonych odpadów ¿elazonoœnych metod¹ podwójnej warstwy...
7
Tablica 2. Wyniki prób spiekania przy równoczesnej recyrkulacji spalin
Table 2. Results of sintering tests with simultaneous exhaust gas recirculation
Spiek
porównawczy
Parametr
Spieki z górn¹ warstw¹ i z zawracaniem spalin
Wariant I
Wariant II
Wariant III
7,0
7,2
7,3
7,3
1768,3
1803,8
1807,6
1798,9
5,5
5,5
5,4
5,5
I. Charakterystyka mieszanki
1. WilgotnoϾ mieszanki,
%
2. Ciê¿ar nasypowy,
kg/m
3. Opór przep³ywu,
s
3
II. Parametry procesu
1. Czas spiekania,
min
28,60
32,35
32,88
37,58
%
100,00
113,13
114,96
131,43
2. Podciœnienie na pocz¹tku procesu,
mm H2O
1120
1120
1130
1130
3. Podciœnienie na koñcu procesu,
mm H2O
887
930
955
955
4. Temperatura spalin (pod mis¹),
o
520,2
441,6
470,7
441,6
5. Pionowa prêdkoœæ spiekania,
mm/min
19,24
17,02
16,80
14,65
%
100,00
88,49
87,34
76,16
6. WydajnoϾ procesu (na spiek skipowy),
2
kg/m ·h
1165,5
1095,9
1052,6
919,1
%
100,00
94,03
90,31
78,85
kg/t spieku
39,99
38,70
39,36
38,60
%
100,00
96,77
98,42
96,50
8. WskaŸnik równowagi spieku,
%
97,05
98,71
107,89
103,02
9. Uzysk spieku po stabilizacji,
%
84,64
87,12
86,49
84,65
7. Zu¿ycie paliwa sta³ego (stan suchy),
C
Tablica 3. W³aœciwoœci spalin przy równoczesnym zawracaniu spalin
Table 3. Properties of exhaust gas with simultaneous exhaust gas recycling
Parametr
Spieki z górn¹ warstw¹ i z zawracaniem spalin
Spiek
porównawczy
Wariant I
Wariant II
Wariant III
0
31,4
21,9
34,2
I W³aœciwoœci spalin w nawrocie
1. IloϾ zawracanych spalin,
%
3
2. Przep³yw w ruroci¹gu nawrotu spalin,
Nm /h
–
435,8
303,4
474,5
3. Temperatura spalin w nawrocie spalin,
o
–
38,9
40,2
37,2
C
Zawartoœci:
1. O2,
%
–
19,3
19,0
19,2
2. CO,
%
–
0,20
0,26
0,21
II W³aœciwoœci spalin w kominie
Parametry:
3
1386,4
950,6
1083,0
911,9
C
39,8
41,2
41,3
38,1
1. O2,
%
19,43
18,91
19,17
19,63
2. CO2,
%
2,53
2,58
2,63
2,58
1. Przep³yw spalin w kominie,
2. Temperatura spalin w kominie,
Nm /h
o
Zawartoœci:
3. CO,
%
0,34
0,24
0,24
0,22
4. NOx,
ppm
69
52
55
53
5. SO2,
ppm
50
21
38
28
49,69
50,76
51,66
50,72
4,21
3,03
2,94
2,72
3
0,092
0,069
0,074
0,071
3
0,106
0,045
0,070
0,060
0,20
0,15
0,13
0,14
Stê¿enia:
1. CO2,
g/Nm3
2. CO,
g/Nm
3. NOx,
g/Nm
4. SO2,
g/Nm
5. Py³,
g/Nm
3
3
8
Marian Niesler, Janusz Stecko
Prace IM¯ 3 (2009)
Tablica 4. W³aœciwoœci fizykochemiczne spieku
Table 4. Physicochemical properties of sinter
Spiek
porównawczy
WskaŸnik
Spieki z górn¹ warstw¹
i z zawracaniem spalin
Wariant I
Wariant II
Wariant III
W³aœciwoœci spieku
1. ZawartoϾ w spieku,
%:
Fe ca³k.
55,03
55,56
55,12
54,97
FeO
5,16
7,97
6,34
6,34
CaO
10,82
9,89
10,55
10,58
SiO2
7,87
7,86
7,95
8,35
MgO
1,23
1,16
1,19
1,12
Al2O3
0,82
1,37
1,42
0,88
P 2O 5
0,049
0,046
0,046
0,069
Mn
0,094
0,100
0,100
0,140
Na2O
0,084
0,100
0,093
0,098
K 2O
0,034
0,042
0,039
0,042
S
0,060
0,058
0,060
0,066
Zn
0,023
0,014
0,011
0,015
CaO/SiO2
1,37
1,26
1,33
1,27
2. SzybkoϾ redukcji dR/dt(O/Fe=0,9),
%/min
1,26
1,15
1,09
1,15
%
100,0
91,3
86,5
91,3
Fe ca³k.
56,05
56,44
55,12
55,71
FeO
5,44
7,97
6,34
8,55
3. Udzia³ w klasie ziarnowej,
%:
4. Zachowanie siê spieku w czasie redukcji:
–- odpornoœæ na rozpad RDI-1+6,3 ,
%
61,70
66,18
64,47
67,07
РpodatnoϾ na rozpad RDI-1-3,15,
%
14,40
14,28
15,28
14,36
– podatnoœæ na œcieranie RDI-1-0,5,
%
3,25
3,82
4,09
3,59
o
1019
1015
1053
1020
5. Temperatura pocz¹tku miêkniêcia,
6. Zakres miêkniêcia (DT),
o
C
C
235
225
190
185
7. Wytrzyma³oœæ wg ISO,
%
58,37
63,47
64,04
64,75
8. Œcieralnoœæ wg ISO,
%
7,04
7,00
6,79
6,70
9. Wytrzyma³oœæ zrzutowa,
%
92,29
93,83
92,92
92,52
10. RozkruszalnoϾ zrzutowa,
%
27,21
27,56
30,08
28,97
We wszystkich wariantach zawartoœæ oleju w II warstwie wynosi³a 1%, a œrednia iloœæ zawracanych spalin,
które przyjmowa³a warstwa spiekanej mieszanki wynosi³a
30%.
W trakcie prób spiekania okreœlano:
– podstawowe parametry procesu,
– w³aœciwoœci fizyczne spieku,
– sk³ad chemiczny emitowanych spalin z procesu (O2, CO,
CO2 , NOx oraz SO2),
– stê¿enia zwi¹zków organicznych w spalinach.
Spaliny emitowane do atmosfery pobierano w kominie,
powy¿ej zasuwy recyrkuluj¹cej spaliny. Drugi pomiar spalin prowadzono w ko³paku doprowadzaj¹cego recyrkulowane spaliny na misê spiekalnicz¹, rys. 1, punkt 8.
2.3. WYNIKI PRÓB SPIEKANIA
W tablicy 2 zamieszczono wyniki podstawowych parametrów procesu spiekania.
Wyd³u¿enie czasu spiekania dla poszczególnych wariantów (o 13÷30%) wynika z obni¿enia przewiewnoœci
spiekanej mieszanki, która spowodowana jest dodaniem
górnej warstwy. Powoduje to obni¿enie wydajnoœæ procesu
spiekania. Obni¿a siê jednoczeœnie zu¿ycie paliwa
(1,5÷3,5%) dziêki m.in. dopaleniu CO z recyrkulowanych
spalin. W tablicy 3 przedstawiono w³aœciwoœci spalin dla
spieku porównawczego i dla poszczególnych wariantów.
Podstawowymi zaletami nowej technologii spiekania,
obejmuj¹cej zastosowanie górnej warstwy i zawracanie
spalin, s¹ znacznie ni¿sze stê¿enia py³u oraz spalin,
a w nich szkodliwych gazów: CO, NOx i SO2. Warstwa spie-
Prace IM¯ 3 (2009)
Spiekanie zaolejonych odpadów ¿elazonoœnych metod¹ podwójnej warstwy...
ku dzia³a jak filtr absorbuj¹cy py³y, a uk³ad recyrkulacji
spalin pozwala na dopalenie CO.
2.4. W£AŒCIWOŒCI FIZYKOCHEMICZNE SPIEKU
Badania spieku prowadzono pod k¹tem w³aœciwoœci
chemicznych, fizycznych takich jak redukcyjnoœæ dynamiczna i statyczna, wytrzyma³oœci wg ISO oraz w³aœciwoœci termoplastycznych.
W tablicy 4 przedstawiono wyniki oznaczeñ w³asnoœciowoœci spieku.
Zanotowany w trakcie prób spiekania wzrost zawartoœci FeO spowodowany by³ miêdzy innymi zwiêkszon¹ iloœci¹ paliwa dostarczon¹ do procesu spiekania, mimo ¿e
obni¿eniu uleg³o zu¿ycie koksiku. Dodatkowym Ÿród³em
ciep³a by³o:
– spalanie produktów olejowych zawartych w górnej warstwie,
– dopalenie CO zawartego w recyrkulowanych spalinach.
Spiek ze zwiêkszon¹ zawartoœci¹ FeO gorzej redukuje
siê w warunkach wielkiego pieca, ale jednoczeœnie poprawia siê jego wytrzyma³oœæ mechaniczna. Stwierdzono równie¿ poprawê w³aœciwoœci termoplastycznych.
3. PODSUMOWANIE
Podstawowymi zaletami zmodyfikowanej technologii
spiekania, obejmuj¹cej dwa dodatkowe procesy, tj. spiekanie górnej warstwy w po³¹czeniu z recyrkulacj¹ spalin, s¹
znacznie ni¿sze stê¿enia py³u oraz spalin, a w szczególnoœci CO, NOx i SO2. Warstwa spieku dzia³a jak filtr absor-
9
buj¹cy zanieczyszczenia. Czynnikami niekorzystnymi s¹:
wyd³u¿enie czasu spiekania i wzrost FeO w spieku.
Wyd³u¿enie czasu spiekania dla poszczególnych wariantów (o 13% do 30%) wynika z obni¿enia przewiewnoœci
spiekanej mieszanki, które spowodowane jest dodaniem
górnej warstwy. Powoduje to obni¿enie wydajnoœæ procesu
spiekania.
Wzrost zawartoœci FeO w próbach laboratoryjnych spowodowany by³ miêdzy innymi zbyt du¿¹ iloœci¹ paliwa dostarczon¹ do procesu spiekania pomimo obni¿enia o
1,5÷3,5% zu¿ycia koksiku. Dodatkowym Ÿród³em ciep³a
by³o bowiem:
– spalanie produktów olejowych zawartych w górnej warstwie, oraz
– dopalenie CO zawartego w recyrkulowanych spalinach.
Spiek ze zwiêkszon¹ zawartoœci¹ FeO gorzej redukuje
siê w warunkach wielkiego pieca, ale jednoczeœnie uzyskuje podwy¿szon¹ wytrzyma³oœæ mechaniczn¹.
Reasumuj¹c nale¿y stwierdziæ, ¿e spiekanie zaolejonych odpadów ¿elazonoœnych z wykorzystaniem podwójnej warstwy i recyrkulacji spalin jest technologicznie bardzo korzystna z punktu widzenia ochrony œrodowiska
i mo¿liwoœci obni¿enia zu¿ycia paliwa. W warunkach przemys³owych nale¿y przeprowadziæ regulacjê iloœci podawanego koksiku, aby uwzglêdniæ ciep³o pochodz¹ce z recyklingu spalin oraz ciep³o z dopalania produktów zawieraj¹cych olej. Mo¿liwe jest wtedy dalsze obni¿enie zu¿ycia
koksiku i polepszenie w³aœciwoœci spieku w warunkach redukcyjnych.
LITERATURA
1. Niesler M., Stecko J. Sprawozdanie IM¯ nr PR-0002-01
PR-0002-02, PR-0002-03 i PR-0002-05. Grudzieñ 2006, (niepublikowane).
2. http://www.bemrt.hu/ Strona internetowa spiekalni rud firmy
BEM Rt. na Wêgrzech.
3. Niesler M., Stecko J. Sprawozdanie IM¯ nr PR-0002-03. Czerwiec 2007, (niepublikowane).
4. Niesler M., Stecko J. Sprawozdanie IM¯ nr PR-0002-05
i PR-0002-06. Czerwiec 2008, (niepublikowane).
5. Niesler M., Stecko J., Sprawozdanie IM¯ nr PR-0002-07. Sierpieñ 2008, (niepublikowane).
Praca naukowa finansowana ze œrodków na
naukê w latach 2006–2009 jako projekt badawczy
rozwojowy.
Recenzent: Prof. dr hab. Józef Paduch