CC BY
24
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Борисов И. И.. Халатов А. А.. Геяетуха Г. Г. и др. Характеристики газогенератора обращенного па тепловой мощностью 50 кВт, работающего на лрсвссных отходах // Промышленная теплотехника. 19е*!
Т.20. Хг I.C. 50-53.
2. Гсиогенераторные технологии - перспективное направление использования биототив / лов Н. И., Рыжков А. Ф., Балдин В. Ю. и др. // Материалы 1-й в Украине Международной конф. «Энергия биомассы». CD-ROM издание. Раздел «Газификация, пиролиз. Жидкие топлива». Киев, 2002.
3. ЗысимЛ. В.. Кошкин И. Л., Орюв Е. И. и др. Исследование совместной работы дизеля и газогенер*-тора, перерабатывающего растительную биомассу //Теплоэнергетика. 2002. № I. С. 14-19.
4. Майн И. С. Транспортные газогенераторы, 1948.
РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ ПРИМЕНЕНИЯ ТОРФЯНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ БРИКЕТОВ ПРИ ВЫПЛАВКЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ
ШКОЛЬНИКОВ А. Р.. ФИЛИППОВА. В. КОЖИНОВА. М. ООО «СУАЛ-Крсмний - Урал» ГРЕВЦЕВ Н. В., АЛЕКСАНДРОВ Б. М. Уральская государственная горно-геологическая академия
К настоящему времени сложились определенные предпосылки к началу нового этапа развития металлургического использования торфа, в основном связанные с резким удорожанием д чи и переработки углеродистого топлива и возрастанием транспортных расходов, что опред особую актуальность рационального и эффективного освоения местных ресурсов, к которым традиционно относится торф.
В рамках сформулированной проблемы на протяжении ряда лет проводились опытно-промышленные испытания различных углеродистых восстановителей, а именно кускового торфа и торфяных углеродистых композиций для выплавки кристаллического кремния на ООО «С У АЛ - Кремний -Урал».
На первом этапе работ была установлена эффективность применения кускового торфа выплавки кремния. Для производства опытных плавок использовался малозольный куск торф, добытый фрезформовочным способом машинами МТК-12 и МТК-16 на Широкоречен-ском, Исетско-Аятском и Лосином торфопредприятиях. Выбор торфяного сырья осуществлялся требований к готовой продукции по зольности, содержанию кальция, железа и алюминия (табл.! по отношению |уминовых кислот (ГК) к легкогидролизуемым веществам торфа, определяю« прочность формованной продукции.
Оценка пригодности торфа для использования его в качестве углеродистого восстановк при выплавке кремния должна проводиться с учетом органической и минеральной частей, хим» ческого состава, структурных характеристик, содержания зольных элементов, поглотительной ионообменной способности, степени замещенности поглощающего комплекса катиона содержания гуминовых веществ в органической части и др.
Таблица
Характеристика сырья для производства углеродистого восстановителя
Торфомрсд-ириятис
Тип торфа
Зольности Ае.%
Химический сосгая юлы, %
SiO:
К«*©,
CaO
AljOj
ГК.%
ЛГ.Ч
Лосиное
Верховой Переходный
1.5 4.2
14.7 11,7
10,8 36Л
3U 24,8
5,1 5,8
26,1 25,8
33,7 ill
Широко-рсченскос
Верховой
1.4
10.5
17,1
42,6
8.9
30,2
30.4
Исетско-Аятскос
Переходный
5.3
12.1
18,6
35,6
5.4
36,0
25,7
✓
В элементарный состав органической массы входят пять элементов: углерод, водород, сера, азот и кислород. Однако элементарный состав торфа не дает полной информации о химической природе его органической массы. Принято химическую оценку торфа производить по анализу группового состава, согласно которому выделяют следующие группы соединений: биту мы - Б, водорастворимые - ВР, легкогидролизуемые - ЛГ, гуминовые вещества - ГВ (гуминовые кислоты ГК), целлюлозу и негидролизуемый остаток (лигнин) - Л.
Состав торфа влияет на физико-механические свойства окускованного топлива - брикетов и кускового торфа.
По способности давать прочные брикеты ряды брикетируемости (в порядке убыли прочности на изгиб) имеют следующий вид:
для низинного торфа: древесно-осоковый > древесный > осоковый > осоково-гипновый > древесно-тростмиковый > шейцериевый > тростниковый;
для верхового торфа: пушицево-сфагновый > пушицевый > шейхцериевый > сфагново-мочажиниый > магелланикум > сосновый.
По способности давать водостойкую продукцию (в порядке убыли водопоглощаемости) ряды имеют вид:
для низинного торфа: древесно-осоковый > древесный > древесно-тростниковый > осоковый > шейхцериевый > тростниковый > осоково-гипновый;
для верхового торфа: сфагново-мочажинный > магелланикум > пушицево-сфагновый > шейхцериевый > сосновый > пушицевый.
Существует классификация сырья для брикетирования и производства кускового торфа, в основе которой положено отношение содержания гуминовых кислот ГК к содержанию легкогид-ролизуемых веществ ЛГ. Так, при ГК/ЛГ < 1,2 получаемые брикеты высокопрочные, а при ГК/ЛГ > 2,2 - низкопрочные; для кускового торфа при ГК/ЛГ < 1,5 продукция прочная и водостойкая, а при ГК/ЛГ > 2 - низкопрочная.
Строение гуминовых кислот характеризуется отношением нсгидролизуемой (НГ) и гидроли-зуемой (Г) частей. При НГ/Г < 4 кусковой торф прочный и водостойкий, при НГ/Г > 5 - низкопрочный и нестойкий к осадкам.
По химическому составу и физико-механическим свойствам наиболее полно отвечает требованиям получения кремния верховой и переходный торф моховой, травяно-моховой и травяной фупп с зольностью до 5 %. При выборе торфяного сырья, кроме химического состава золы, учитывался его групповой состав и рекомендации по получению прочной и водостойкой формованной продукции.
Для установления эффекта от использования кускового торфа проводились наблюдения за работой контрольной и испытуемой электропечей с обычным составом шихты на протяжении 15 дней, затем в состав шихты испытуемой печи вводился торф и велись наблюдения на протяжении следующих 15 дней. Данная методика опытно-промышленных испытаний давала возможность учесть и сравнить динамику технико-экономических показателей работы печей до эксперимента и в момент его проведения (табл. 2).
Анализ полученных технико-экономических показателей свидетельствует о целесообразности использования кускового торфа при выплавке кремния. Так, практически при постоянной производительности печи 530 кг/ч наблюдалось снижение расходных коэффициентов на 1 тонну кремния: расход кварцита снизился - на 3,4 %, древесного угля - на 11,5 %, нефтяного кокса - на 5,8 %, электроэнергии - на 2,3 %. Коэффициент соотношения окиси кремния к твердому углероду возрос на 8 %. При этом сортность кремния не ухудшалась.
Таблица 2
Технико-экономические показатели работы печей при выплавке кремния
Номер 11СЧН Производи- Мощность. МВт Расход на 1т кремния кг/т 810,. с„
тельность. Кварцит. Дрсксный Нсфтскокс. Торф. Электроэнер-
кг/ч кг кокс, кг кг кг гия. кВт'ч
д о начала эксперимента
1 561 6.026 1974 1203 423 11155 1441 1,73
5 529 6,044 2205 1322 499 - 11877 1282 1.72
В процессе эксперимента
1 510 5.939 2058 1249 473 12041 1199 1.72
5 530 7.130 1170 470 160 116Н 1146 1.86
Основными сдерживающими факторами широкого применения кускового торфа для выплавки кремния являются низкое содержание твердого углерода (до 20 %) и достаточно высока« влажность (до 50 %).
С целью устранения указанных недостатков предложен способ углеродистого восстановителя - торфоуглсродистых композиций (ТУК).
Основной задачей данной работы являлась разработка технологии производства ново:: малозольного восстановителя на основе торфа для использования в электрометаллургии при выплавке кремния. При этом к новому восстановителю предъявлялись следующие требования: оя должен быть в окускованном виде, иметь достаточную механическую стойкость, термоустойч*-вость. водопоглощаемость, содержать максимально возможное количество твердого углерож. участвующего в процессе восстановления кремния. И основным требованием являлась химическая чистота восстановителя: зольность не более 5 % и содержание железа, кальция и алюмин*» по отдельности менее 0,5 %. При этом выход летучих веществ должен быть с минимальным содержанием компонентов, способных в условиях электроплавки образовывать пиролитический лерод (смола, бензол, метан и другие углеводороды). Новый восстановитель должен иметь в кую реакционную способность, повышенное удельное электрическое сопротивление (УЭС). Т УЭС оказывает значительное влияние на общее электросопротивление ванны печи и распре, нис в ней выделяемой мощности. Нижний предел крупности при выплавке кремния 12-20 мм. количество мелких классов 0-6 мм ограничено, так как они снижают газопроницаемость колош ка.
В качестве углсродсодержащих материалов могут быть использованы отсевы нефтяного кокса, древесного угля, каменноугольного полукокса и кокса, а также материалы, содержащие графит: теплоизоляционная шихта, содержащая 75-80 % графита, отходы силицированного графита, пыль, улавливаемая при обточке графитовых изделий на электродных зазодах. Наиболее чистым из перечисленных матсриаюв является нефтяной кокс (зольность до 2 %), который ■ был выбран в качестве углеродсодсржащсго наполнителя при опытном производстве ТУК.
Из возможных углеродистых наполнителей, включающих нефтяной кокс, гековый кокс, сев древесного угля, отходы графитации угольных стержней, отходы электродного производега. наилучшие качественные показатели получены при использовании нефтяного кокса.
Расчет рецептуры торфяных композиций может быть выполнен на основе фактических характеристик имеющегося сырья (табл. 3).
Таблиц» Г-
Расчет рецепту ры брикетов на основе фактических характеристик имеющеюся сырья
Характеристика исходных компонентой
Характеристика смеси
материал объем плотность, % влажность. % зольность. % влажность. % содержание кокса. % зольность брикета. %
т^ НК 2 1 560 700 83 16 3 0.6 57,2 75.5 1.19
НК 1.5 1 560 700 83 16 3 0,6 52.5 80,5 1,07
"и, НК 1 1 560 700 83 16 3 0,6 45.8 86.1 0.93
Таблица
Свойства торфоуглеродистых композиций (ТУК)
Состав ГУК сухой торф: углеродистый материал
Содержание
углерода на рабочую массу. %
Влагэсо-держание, кг/кг
Плотность, кг/м'
Теплота сгорания МДж/кг
Влагопого-щаемость. кг/кг
Мсханичс
прочность на истирание, N
46.5
П.«
400
13,50
4,75
08,6
1:0,6
50,9
0А2
430
15,60
4.20
98.5
1:0,9
0,55
465
16.30
3.50
97,7
1:1.2
0,50
500
17,20
ш.
97.3
1:2
62,5
0,23
550
18,91
2.65
95.9
1:1,82*
60,5
0,21
500
18.35
3,30
96,2
1:^78*
64.5
0.22
560
19.64
2.49
93,2
*ТУК с оболочкой из высокодиспсргирэванного торфа
Таблица 5
Расчет теплоты сгорания комлогиционных брикетов
Содержание в брикете торфа. % Содержание н брикете нефтекоска. % Теплота ciopa-ния торфа. МДж/кг Теплота сгорания исфтскокса. МДж/кг Теплота сгорания брикета. МДж/кг Теплота сгорания брикета, ккал/кг
50 50 15.80 32,98 24.39 5820
45 55 15,80 32,98 25,25 6025
40 60 15,80 32.98 26.11 6230
35 65 15.80 32.98 26,96 6435
30 70 15.80 32,98 27.82 6640
25 75 15,80 32.98 28.68 6845
60 40 15,80 32,98 22,67 5411
70 30 15,80 32,98 20,95 5001
80 20 15.80 32,98 19,24 4591
85 15 15.80 32.98 18.38 4386
Подбором свойств исходных углеродистых материалов достигается необходимое качество торфяных углеродистых композиций, определяемое требованиями конкретного металлургического процесса.
Промышленные испытания торфяных нефтскоксовых композиций на ООО «СУАЛ - Кремний-Урал» показали целесообразность и эффективность использования нового углеродистого восстановителя при выплавке кремния. Торфяные композиционные брикеты состоят из двух видов топлива - нефтяного кокса и топливного торфа. Оба вида топлива сертифицированы и допущены к использованию на территории Российской Федерации Департаментом государственного санитарно-эпидемиологического надзора Министерства здравоохранения РФ.
В процессах перемешивания, пресс-формования, сушки и сжигания композиций из нефтяного кокса и торфа не наблюдается каких-либо специфических реакции, обусловленных взаимодействием этих видов топлива.
Для проведения промышленных испытаний было поставлено ООО НПО «Уралкомпознт» 150 т брикетов со следующей качественной характеристикой: диаметр 30-60 мм, содержание нефтяного кокса 65 - 80 % зольность от 3,74 до 9,11 %, средняя - 5,71 % содержание летучих от 22,36 до 35,3 % , средняя - 29,0 % влажность - от 6,4 до 30,1 %, средняя 18,5 %.
Физико-механические характеристики обеспечивают возможность их использования в технологии плавки кремния в рудно-термических печах ООО «СУАЛ - Кремний-Урал».
В сентябре - октябре 2001 года отмечено резкое увеличение зольности брикетов (до 9,11 %), что обусловлено зазолением торфа и нефтяного кокса при их хранении на опытном участке (XX) НПО «Уралкомпознт» в п. Лосиный. При исключении этих партий средняя зольность брикетов составляет 4,9 %. Кроме того, в золе торфа содержится от 10 до 40 % окиси кремния, которая не является вредной примесью при выплавке кремния. С учетом этого содержание минератьных примесей в брикете можно оценить в пределах 1,96-4,41 %.
Выпаженными расчетами подтверждена принципиальная возможносгъ получении композиционных брикетов с зольностью менее 3 % при наличии торфяного сырья с заданными качественными показателями. Запасы малозольного торфа нат/м Малорефтинское позволяют организовать заготовку необходимого сырья в 2003 году.
За время испытаний с 3.07. по 19.07. в рудно-термической печи № 6 использовано 40 т брикетов. В процессе испытаний установлено увеличение содержания железа в кремнии и снижение производительности печи из-за науглероживания шахт и их сужения, которое может быгь устранено путем уменьшения содержания в брикетах твердого углерода.
Таким образом, оптимизация двухкомпонситной смеси торфа и нефтяного кокса сводится к нахождению максимально возможного содержания углерода в композиции при ограничениях по
качественному и количественному составу зольных элементов и выполнении условий нолучениа качественной продукции (табл. 4, 5).
Характеристика нефтяного кокса и торфа, используемого при производстве композиций, приведена в табл. 6.
Таблица 6
Характеристика составляющих торфо - нефтекоксовых композици й
Нлаюсолср- Зольность, Состав золы. % Содержание
Составляющие твердого углерода. %
жанис. кг/кг % А1 Не Са
Торф 1,2 3,7 0.24 0.62 и1 19.3
Нсфтекокс 0,001 0.8 0,05 0.010 0.08 87.1
Па основе анализа свойств торфяного сырья и наполнителей представляется возможным прогнозировать качественные показатели производимой продукции. Важную роль при построении технологического процесса играют свойства композиционных смесей, получаемых при перемешивании исходных компонентов.
Структуры дисперсных систем, согласно классификации Г1. А. Ребиндера, подразделяются на коагуляционные (тиксотропно-обратимые) и конденсационно-кристаллизационные (необратимо-разрушающиеся). Эти типы структур обладают резко отличающимися свойствами. Реальные тела образуют бесконечное множество промежуточных структур, которые характеризуются силами воздействия и порядком расположения элементов структуры.
В зависимости от состояния в торфяных системах могут существовать коагуляционные я конденсационно-кристаллизационные структуры. Кроме этого, для торфа как для волокнистого материала характерны структуры переплетения (срастания). Структуры переплетения образуются в результате физико-химического взаимодействия и за счет фрикционных контактов и зацепления между отдельными волокнами.
Специфической особенностью торфа является высокая подвижность его структуры из-за набухания органических компонентов в ходе ионообменных процессов. По своей структуре тор$ относится к гетеропористым системам.
Установление закономерностей образования структур в дисперсных системах является основной задачей физико-химической механики, созданной академиком П. А. Ребиндером и его школой. На основании общих закономерностей физико-химической механики и экспериментальных данных сделан вывод о существовании связи между свойствами торфя в искодиом состоянии и качеством продукции, получаемой после формования и сушки.
Структура композиционных материалов будет в значительной степени зависеть от способа их окускования. Возможны два варианта технологического процесса. Первый предполагает прессование предварительно высушенной и подготовленной композиционной смеси, в второй - влажное формование, например, путем экструзии через профильные фильеры-насадки композиционной смеси с последующей сушкой полученных кусков. Очевидна аналогия с брикетным произво> ством и получением кускового торфа. В связи с этим остановимся на некоторых особенностях структуры брикетов и кускового торфа.
Структура оказывает влияние на формирование одной из наиболее важных характеристик торфяных композиций, которой является плотность. Плотность композиции определяется про-центным содержанием компонентов, их плотностью и влагосодержанием.
Одной из основных характеристик торфяных композиционных материалов является их механическая прочность. В зависимости от видов продукции прочность принято характеризовать сопротивлением материала сжатию, изгибу или растяжению.
В общем случае под прочностью понимается свойство тела сохранять целостность при напряженном состоянии.
Пределу прочности придается смысл физической константы рассматриваемого образца. Прочность тела зависит от прочности связей, основными из которых для торфяных композиция являются химические связи, межмолекулярные взаимодействия, водородные связи и связи, обусловленные капиллярными силами.
Наряду с механической прочностью водные свойства торфяных композиционных материалов в той или другой мере определяют качественные показатели готовой продукции. Так, для топливных композиций водопоглощаемость последних будет накладывать ограничения на условия их хранения, а для формованных торфяных субстратов водопоглощаемость, скорость впитыванк»
и максимальная влагоемкость являются основными эксплуатационными показателями, определяющими эффективность их использования для выращивания рассады. Кроме этого, в процессе получения торфяных композиционных материалов необходимо удалять достаточно большое количество влаги, что, в свою очередь, требует рассмотрения особенностей водных свойств композиций и их изменения на различных стадиях технологического процесса.
При производстве торфяных композиционных материалов в качестве исходного торфа может использоваться торф с определенным влагосодержанием. причем вода в торфе может быть представлена различными категориями.
Таблица 7
Уравнения линейной регрессии доя определения свойств торфяных композиций
Коррелируемые параметры Уравнение регрессии Ошибка сравнения Коэффициент корреляции Критерий Фишера Значимость критерия
У X
Р. Рс.н у = 0.810х + 393.725 251.949 0,81 26.875 0.0001386
Р. Рс« у= 1.013х +493.720 236.484 0.84 32,396 0,0000557
Р. Рс.ф у = 1,626х + 466.05У 165,006 0.У2 81,298 0.0000003
Р. Рос« у = 0,836х + 494,282 235,106 0.48 32,941 0.0000512
Р* Реп с* у - 1.446х +738.646 304,357 0,76 18,906 0.0006685
В Р<«см у - - 0,087х + 88.413 15,184 0.81 27,576 0.0001226
я -ру-ья- у ■ - 0.005х + 6.885 1.908 0,55 5,993 0,0281511
Примечание. Критическое значение критерия Фишера Fify.fi) при доверительной вероятности 0,95 равно 2.41.
Таблица 8
Результаты исследований торфяных нефтекаксовых композиций (Т : Н.К**1:3) на термоустойчивость
Режим испытаний тсрмостокости Убыль в весе. % Осыпаемость Пояалгнис трещиноват ост и Внешний вид Термостойкость Усадка стержня
по высоте по диаметру
Т = 600 °С 1 = 60 мин 25,87 Отсутствует Нет Черный как исходный 100 12,79 4,54
I - 750 °С 1 = 60 мин 30,51 Отсутствует Нет Черный как исходный 100 18.90 8,90
т = 850 °С 1 = 60 мин 31,05 Отсутствует Одна пер пенди-ку-лярно оси Сероватый оттенок 100 21,60 12,26
т = 950 °С 1 ■ 60 мин 32,20 Отсутствует Одна перпенди-ку-лярно оси Сероватый оттенок 100 27,00 13,60
Силу связи между свойствами исходной композиционной смеси и готовой продукции в значительной степени определяет природа наполнителя. Для тесных и значимых для технологического процесса связей получены уравнения регрессии (табл. 7), которые позволяют в первом приближении оценить качественные показатели торфяных композиций и сформулировать требования к свойствам торфяного сырья и наполнителя. В таблице использованы следующие условные обозначения: IV - влагосодержание, р - плотность, рск - плотность скелета, Я - прочность, В - водопо-глощенис, т„ - содержание наполнителя, Ку - коэффициент уплотнения, индексы т, н, см, ф, к относятся соответственно к торфу, наполнителю, смеси, сформованным композициям и композициям с конечным влагосодержанием.
Результаты лабораторных испытаний нового восстановителя на термоустойчивость свидетельствуют о его высокой термоустойчивости и возможности использования в металлургических процессах (табл. 8).
