PL197557B1 - Sposób utylizacji surowców wtórnych zawierających żelazo, cynk i ołów - Google Patents

Abstract

1. Sposób utylizacji surowców wtórnych zawieraj acych zelazo, cynk i o lów, a korzystnie py ly pochodz ace z procesu stalowniczego, w obrotowym piecu rurowym pracuj acym na zasadzie prze- dmuchu wstecznego w stosunku do ruchu wsadu i atmosfery gazowej, z zasadowo przygotowanym zu zlem walcowniczym, zgodnie z którym surowce wtórne miesza si e i/lub poddaje si e aglomeracji z reaktywnym drobnoziarnistym no snikiem w eglowym, znamienny tym, ze stosuje si e ilo sciowy udzia l w egla, który jest silnie substechiometryczny w porównaniu do wszystkich reakcji zu zywaj acych w egiel w tym wsadzie, a dodatkow a cz es c gruboziarnistych no sników w eglowych rozprowadza si e pomi edzy aglomeratami, przy czym ca lkowity udzia l w egla wynosi mniej ni z 80% ilo sci wymaganej przez wszystkie reakcje zu zywaj ace w egiel w tym wsadzie w temperaturze walcowania mniejszej ni z 1150°C, za s zu zel walcowniczy dostarcza si e wraz z zimnym powietrzem w pobli ze wylotu pieca po osi agni eciu statecznej pracy tego pieca w ilo sci zmniejszaj acej udzia l zelaza metalicznego w stosunku do ca lkowitej zawarto sci zelaza do mniej ni z 20%, a nast epnie dostarcza si e cala obj eto sc powietrza do pieca, które jest, odpowiednio, substechiometryczne lub hiperstechiometryczne, w stosunku do wszystkich utleniaj acych si e sk ladników gazowych, bez specjalnie regulowanego pó zniejszego spalania. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób utylizacji surowców wtórnych zawierających żelazo, cynk i ołów, a korzystnie pyły pochodzącego z procesu stalowniczego, w obrotowym piecu rurowym wyposażonym tradycyjnie dla procesu walcowania, z zasadowo przygotowanym żużlem walcowniczym.

Wiadomym jest, że materiały zawierające cynk i ołów mieszane są z miałem koksowym (nośnikiem węglowym) w trakcie procesu walcowania i załadowywane są do obrotowego pieca rurowego pracującego na zasadzie przedmuchu wstecznego. Z uwagi na nachylenie linii środkowej pieca oraz jego obrót, wprowadzony materiał przemieszcza się do głębszego końca pieca. Powietrze o przepływie przeciwprądowym, które wielokrotnie podgrzewane jest przez palnik, utlenia gazy pochodzące z wsadu, przez co temperatura tych gazów podnosi się, a komora paleniskowa i wsad ulegają nagrzaniu.

Przy przejściu przez piec, zmianie ulega skład wsadu tak, że najpierw węgiel reaguje z podatnymi na redukcję tlenkami żelaza przez utworzenie żelaza metalicznego, że powstały tlenek węgla i węgiel stały reagują następnie z tlenkiem cynku dla utworzenia metalu-cynku, że ołów i jego związki reagują analogicznie i, że ewentualnie całość ulega odparowaniu zgodnie ze swoimi stosunkami ciśnienia pary. Żelazo metaliczne poddane zostaje nawęglaniu nadmiarem węgla. Suche pozostałości zwane żużlem walcowniczym zawierają nadmiar koksu, nawęglone żelazo metaliczne i pozostałości tlenków żużlotwórczych, a także małe ilości cynku. Gazy spalinowe tracą zawartość wolnego tlenu na swojej drodze przejścia przez piec, przy czym w warunkach idealnych, gazy spalinowe na wylocie nie zawierają ani O2 ani też CO.

W dotąd znanych procesach zasadowych żużle walcownicze opisane są przez podanie ich wartości eluacyjnych i właściwości strukturalno-fizycznych, które ograniczają ich utylizację do niewielu dziedzin, w których mogą zostać zastosowane, takich jak budowa wysypisk odpadków.

Dodatkowymi niedogodnościami poprzednio znanych procesów zasadowych walcowania są:

- wysokie zużycie energii z uwagi na wysoki rozrost koksu,

- wyższe zużycie energii z uwagi na częste dodatkowe zasilanie paleniska wysokogatunkowymi materiałami palnymi,

- strata energii wskutek występowania 5-10% koksu resztkowego i żelaza metalicznego (> 90% na wstępie pracy) w żużlu walcowniczym,

- występowanie zawisania wsadu zawierającego żelazo na ściankach pieca lub grudek żelaza w pobliżu wylotu pieca, mających wysoką zawartość węgla w żelazie gąbczastym.

W celu uniknięcia tych niedogodności, znana literatura fachowa sugeruje rozwiązania zmierzające do uzyskania utlenienia żużla walcowniczego poprzez wdmuchiwanie gorącego powietrza przy wylocie żużla.

Zgodnie ze sposobem podanym w amerykańskim opisie patentowym US 366 522, gorące powietrze wdmuchiwane jest do obszaru znajdującego się przy wylocie obrotowego pieca rurowego, które ogrzane jest do temperatury w zakresie od 700°C do 750°C w oddzielnym zespole rekuperacyjnym, bez zastrzegania, że energia wymagana do tego celu pobierana jest z tego procesu. Temperatura w obszarze górnego dmuchu może, zgodnie z założeniem, osiągnąć 2000°C, co także jest następstwem temperatury płynięcia składników reakcji. Żużel walcowniczy ulega stopieniu co najmniej częściowo, przy czym jest on w postaci granulek. Sposób ten korzystnie przeznaczony jest dla rud zawierających piryt.

Niemalże identyczny w swych założeniach do wyżej opisanego sposobu jest sposób walcowania znany z europejskiego opisu patentowego EP 0 654 538. W rozwiązaniu według tego opisu, także gorące powietrze o temperaturze w zakresie od 500°C do 1000°C wdmuchiwane jest do obszaru znajdującego się przy wylocie obrotowego pieca rurowego tak, aby włączyć dające się utlenić składniki żużla walcowniczego do wykorzystania energii. W wyniku spalenia nadmiaru węgla i żelaza metalicznego temperatura żużla walcowniczego wzrasta do temperatury w zakresie od 1200°C do 1500°C, przy czym żużel pozostaje w formie rozdrobnionej, i nie następuje jego wypływ w stopionej postaci.

Dlatego, sposób ten może być stosowany jedynie w związku z trybem pracy procesu zasadowego. W celu ograniczenia profilu cieplnego w komorze gazowej pieca objętość powietrza jest tak określona, że gaz spalinowy na wlocie pieca (strona załadowcza dla wsadu) poza innymi składnikami zawiera jeszcze pary CO i Zn, to znaczy, że jest on substechiometryczny biorąc pod uwagę spalanie, i dlatego niezbędne jest regulowane późniejsze spalanie. Przygotowanie gorącego powietrza w tym sposobie opracowane zostało w warunkach laboratoryjnych. Gazy odlotowe późniejszego spalania wykorzystuje się do podgrzania powietrza spalania, do czego wymagany jest specjalny rekuperator,

PL 197 557 B1 który pracuje w niekorzystnych warunkach z uwagi na występowanie pyłu, chlorków i ołowiu. Rozwiązania techniczne dla takiego rekuperatora nie są znane.

Z kolei opis patentowy US-A-4,396,424 opisuje sposób odzyskiwania takich metali jak cynk, ołów, i innych metali, z pyłu zawierającego tritlenek diżelaza (Fe2O3), tlenek cynku (FeO) i tlenek ołowiu (PbO), wyładowywanego z pieca hutniczego, który na wlocie posiada atmosferę redukującą, a na wylocie - atmosferę utleniającą. Stosowany jako paliwo lub jako źródło ciepła węgiel odpowiada całkowitej ilości wymaganej do redukcji Fe2O3 do FeO jak i ilości niezbędnej do redukcji tlenku cynku, tlenku ołowiu i innych tlenków metali. Związki cynku i ołowiu w atmosferze redukującej redukowane są do metali, a metale przeprowadzane są w stan pary. Jednak w atmosferze tej nie występuje już tlen co sprawia, że w fazie gazowej nie może zachodzić utlenianie.

Natomiast publikacja WO-A-98/04755 dotyczy sposobu przetwarzania materiałów zawierających cynk załadowywanych do pieca, między innymi, wraz z miałkim węglem zawierającym środek redukujący. Zgodnie z tym rozwiązaniem, żużel na wylocie pieca posiada jednak zawartość węgla wynoszącą 20%.

Celem wynalazku jest zapewnienie sposobu prowadzenia procesu walcowania z zasadowo przygotowanym żużlem w normalnie wyposażonych urządzeniach do walcowania, przy zachowaniu uzasadnionych norm zużycia technicznego. Sposób ten ma funkcjonować dla temperatury żużla walcowniczego niższej niż temperatura stosowana we wcześniejszych rozwiązaniach, oraz bez późniejszego spalania gazu odlotowego z powietrzem poza obrotowym piecem rurowym. W rezultacie poprawie ma ulec bilans energetyczny procesu walcowania, przy jednoczesnym zwiększeniu wydajności obrotowego pieca rurowego. Dodatkowo, przewiduje się poprawienie jakości żużla tak, aby możliwa była jego utylizacja w sposób bardziej uniwersalny.

Zgodnie z wynalazkiem, sposób utylizacji surowców wtórnych zawierających żelazo, cynk i ołów, a korzystnie pyły pochodzące z procesu stalowniczego, w obrotowym piecu rurowym pracującym na zasadzie przedmuchu wstecznego w stosunku do ruchu wsadu i atmosfery gazowej, z zasadowo przygotowanym żużlem walcowniczym, zgodnie z którym surowce wtórne miesza się i/lub poddaje się aglomeracji z reaktywnym drobnoziarnistym nośnikiem węglowym, charakteryzuje się tym, że stosuje się ilościowy udział węgla, który jest silnie substechiometryczny w porównaniu do wszystkich reakcji zużywających węgiel w tym wsadzie, a dodatkową część gruboziarnistych nośników węglowych rozprowadza się pomiędzy aglomeratami, przy czym całkowity udział węgla wynosi mniej niż 80% ilości wymaganej przez wszystkie reakcje zużywające węgiel w tym wsadzie w temperaturze walcowania mniejszej niż 1150°C, zaś żużel walcowniczy dostarcza się wraz z zimnym powietrzem w pobliże wylotu pieca po osiągnięciu statecznej pracy tego pieca w ilości zmniejszającej udział żelaza metalicznego w stosunku do całkowitej zawartości żelaza do mniej niż 20%, a następnie dostarcza się całą objętość powietrza do pieca, które jest, odpowiednio, substechiometryczne lub hiperstechiometryczne, w stosunku do wszystkich utleniających się składników gazowych, bez specjalnie regulowanego późniejszego spalania.

Korzystnie, udział węgla określa się tak, że żużel walcowniczy nie zawiera węgla niezwiązanego (< 1%) nawet bez późniejszego utleniania.

Korzystnie, żużel walcowniczy dostarcza się wraz z zimnym powietrzem w ilości zmniejszającej udział żelaza metalicznego w stosunku do całkowitej zawartości żelaza do mniej niż 10%.

Korzystnie, wysoki stopień zasadowości żużla walcowniczego przygotowuje się z wysokim udziałem magnezu przy MgO > 0,1% CaO przez dodanie odpadów zawierających wapno i magnez, takich jak osad strąceniowy z gipsu.

Zgodnie z wynalazkiem, drobnoziarniste nośniki węglowe posiadają średnicę w zakresie od około 0-6 mm, korzystnie od 0-4 mmm, a najkorzystniej < 2 mm, natomiast gruboziarniste nośniki węglowe posiadają średnicę w zakresie od około 0-16 mm, korzystnie od 0-12 mm, a najkorzystniej < 10 mm.

Sposób odznacza się tą zaletą, że jest całkowicie wystarczający dla pokrycia dodatkowego zapotrzebowania na ciepło na wylocie pieca, poprzez celowe wprowadzenie zimnego powietrza w ilości od 30% do 40% całej objętości powietrza. Powietrze powoduje utlenianie żelaza metalicznego i wytworzenie ciepła z tym związanego. Temperatura żużla walcowniczego może zostać przystosowana do temperatury poniżej 1150°C w wyniku regulowania objętości powietrza. Absorbowana objętość powietrza regulowana jest w znany sposób przez kanał spalinowy, który jest tak skonstruowany, że gazy spalinowe na wlocie pieca zawierają od 0,5 do 2% O2.

W związku z tym utrzymane są warunki pracy pieca, w którym ilościowy udział węgla w warstwie materiału stałego, to jest we wsadzie piecowym jest stechiometryczny wobec zapotrzebowania

PL 197 557 B1 węgla dla wszystkich reakcji zużywających węgiel, i umożliwia całkowite spalanie wszystkich składników w komorze gazowej, będąc w ten sposób odpowiednio stechiometrycznym lub hiperstechiometrycznym wobec spalania z niezwiązanym O2 w gazach spalinowych.

Zasada ta okazuje się być korzystną w wyniku zastosowania reaktywnego i drobnoziarnistego nośnika węglowego, który także zawiera małe ilości substancji lotnych, które ładowane są do pieca po zmieszaniu i zaglomerowaniu z surowcami gruboziarnistymi i domieszkami.

Zasada ta jest ponadto korzystna ponieważ możliwe jest także wykorzystywanie odpadowego gipsu jako zasadowych domieszek pozwalających na swobodną i w szerokim zakresie pracę pieca, przy czym piec jest dodatkowo ulepszony przez niską zawartość węgla utworzonego żelaza metalicznego i przez uzyskaną w ten sposób wyższą temperaturę jego topnienia.

Zgodnie z opisanym trybem pracy wymieniona zasada umożliwia w szerokim zakresie normalną pracę także w przypadku mniejszych pieców bez dodatkowego nagrzewania.

Techniczna realizacja sposobu prowadzona jest przez staranne dozowanie i mieszanie składników oraz przez wykorzystanie spiekalni. Ponadto, wymagane jest urządzenie doprowadzające powietrze wyposażone w wentylator, układy pomiarowe i układy sterujące oraz przesuwną lancę tlenową. Powstałe żużle walcownicze mogą być wykorzystane przy budowie wysypiska odpadków lub dolnych warstw nośnych pod asfalt. Są one gęsto spiekane z uwagi na powierzchnię, wolną od węgla (< 1%) i zawierają jedynie małe ilości żelaza metallcznego. Ich wartości eluacyjnespełniają wymogi określone w przepisach.

Rozdrobniony żużel walcowniczy jest granulowany lub oziębiany w strumieniu wody w chwili wyładowywania z pieca.

W sposobie według wynalazku poprawie ulega bilans energetyczny obrotowego pieca rurowego, a także zwiększenie jego wydajności w wyniku zmniejszenia ilości nośników węglowych i przez wykorzystanie energii potencjalnej żelaza metalicznego na wylocie pieca.

P r z y k ł a d

Pyły pochodzące z procesu stalowniczego zawierające cynk i ołów zgranulowano za pomocą koksu naftowego mającego wielkość ziarna < 2 mm, drobnoziarnisty CaSO₄ zawierający domieszki i wodę. Wielkość koksu naftowego ustalono tak, że granulki zawierały około 70% węgla wymaganego do zredukowania związków zawierających żelazo, cynk i ołów, natomiast wilgotność wynosiła od 10% do 12%. Do tych granulek dodano gruboziarniste nośniki węglowe o wielkości ziarna mającego w przybliżeniu mniej niż 10 mm. Całkowita ilość węgla wynosiła 75% ilości węgla wymaganego do zredukowania związków zawierających żelazo, cynk i ołów.

Samotopliwe granulki przetwarzano wraz z gruboziarnistymi nośnikami węglowymi w obrotowym piecu rurowym o długości 38,5 m i średnicy wewnętrznej wynoszącej 2,5 m, przy nachyleniu 3%. Lanca tlenowa przechodziła przez kołpak piecowy, i za jej pomocą powietrze wdmuchiwano na żużel przez dysze, na długości 2 m. Wymienioną objętość powietrza tak wyregulowano, że utlenianiu ulegało głównie żelazo zawarte w żużlu, że węgiel resztkowy występował w ilości mniejszej niż 1% i, że temperatura żużla wynosiła 1100°C. Całkowita objętość powietrza tak regulowano, aby zapewnić zależności stechiometryczne ze wszystkimi składnikami gazu podlegającymi utlenianiu, bez gazów odlotowych zawierających CO.

Żużel został zgranulowany i mógł być zastosowany dzięki swoim właściwościom konstrukcyjnofizycznym i swojej jakości eluacyjnej w przemyśle budowlanym, na przykład, do dolnych warstw nośnych pod asfalt, lub do tworzenia warstw przepuszczających gaz w systemie sanitarnym przewidzianym dla wysypisk odpadków. Ilość żelaza metalicznego w żużlu wynosiła około 5% wagowych.

Gazy spalinowe oczyszczono zgrubnie w komorze pyłowej.

Przy następnym oziębianiu i oczyszczaniu gazów spalinowych uzyskiwano tlenek mający zawartość cynku wynoszącą około 63%.

Claims (4)

1. Sposób utylizacjj surowców wtórnych zawierających żelazo, cynk i ołów, a korzystnie pyły pochodzące z procesu stalowniczego, w obrotowym piecu rurowym pracującym na zasadzie przedmuchu wstecznego w stosunku do ruchu wsadu i atmosfery gazowej, z zasadowo przygotowanym żużlem walcowniczym, zgodnie z którym surowce wtórne miesza się i/lub poddaje się aglomeracji z reaktywnym drobnoziarnistym nośnikiem węglowym, znamienny tym, że stosuje się ilościowy udział

PL 197 557 B1 węgla, który jest silnie substechiometryczny w porównaniu do wszystkich reakcji zużywających węgiel w tym wsadzie, a dodatkową część gruboziarnistych nośników węglowych rozprowadza się pomiędzy aglomeratami, przy czym całkowity udział węgla wynosi mniej niż 80% ilości wymaganej przez wszystkie reakcje zużywające węgiel w tym wsadzie w temperaturze walcowania mniejszej niż 1150°C, zaś żużel walcowniczy dostarcza się wraz z zimnym powietrzem w pobliże wylotu pieca po osiągnięciu statecznej pracy tego pieca w ilości zmniejszającej udział żelaza metalicznego w stosunku do całkowitej zawartości żelaza do mniej niż 20%, a następnie dostarcza się całą objętość powietrza do pieca, które jest, odpowiednio, substechiometryczne lub hiperstechiometryczne, w stosunku do wszystkich utleniających się składników gazowych, bez specjalnie regulowanego późniejszego spalania.

2. Sposóbwedług zastrz. 1, znamienny tym, że udział węgla określa się tak, że żużel walcowniczy nie zawiera węgla niezwiązanego (< 1%) nawet bez późniejszego utleniania.

3. Sposób według 1, znamienny tym, że żi^^^l walcowniczy dossarcza się wraz z zimnym powietrzem w ilości zmniejszającej udział żelaza metalicznego w stosunku do całkowitej zawartości żelaza do mniej niż 10%.

4. Sposób według zasSrz. 3, ζι^^ι^ϊ^ι^ι^^ tym, że wysoki sSopień żi^^l^ walcowniczego przygotowuje się z wysokim udziałem magnezu przy MgO > 0,1% CaO przez dodanie odpadów zawierających wapno i magnez, takich jak osad strąceniowy z gipsu.