Расширение возможности переработки отходов с помощью плазменных технологий

Курсовая работа

Расширение возможности переработки отходов с помощью плазменных технологий

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ПЛАВКА В ПЛАЗМЕННО-ДУГОВЫХ ПЕЧАХ С КЕРАМИЧЕСКИМ ТИГЛЕМ ГЛАВА 2. ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ: РАСШИРЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ГЛАВА 3. НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ РУД И ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ В ПЛАЗМЕННЫХ ШАХТНЫХ РУДНОТЕРМИЧЕСКИХ ПЕЧАХ — «EPOS-PROCESS»

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сжигание отходов является одной из наиболее распространенных и эффективных технологий, позволяющих значительно сокращать объем отходов. На сжигание направляются выделенные в результате сортировки лишь горючие компоненты отходов. Недостатком сжигания радиоактивных отходов является образование опасного для транспортировки, пылящего и непригодного для захоронения продукта — золы, сконцентрировавшей в себе радиоактивные изотопы. различные методы дальнейшего кондиционирования радиоактивного зольного остатка требуют создания дополнительных промышленных установок, транспортирования зольного остатка на переработку, внесения дополнительных материалов и, в ряде случаев, существенных энергетических затрат.

технология переработка отход плазма печь плавка

ГЛАВА 1. ПЛАВКА В ПЛАЗМЕННО-ДУГОВЫХ ПЕЧАХ С КЕРАМИЧЕСКИМ ТИГЛЕМ

Плавка в плазменно-дуговых печах — Печи этого типа в отношении их конструкции являются модификацией обычных дуговых сталеплавильных печей, отличаясь от них лишь тем, что вместо электродов устанавливают один или несколько плазмотронов, а для подачи потенциала на нагреваемый металл в подину закладывают подовый электрод. Для уменьшения подсоса воздуха в пространство печи кожух печи выполняют более герметичным и уплотняют все места сочленений.

На одном из отечественных металлургических заводов работает плазменно-дуговая печь с керамическим тиглем емкостью 5 т, созданная на базе стандартной дуговой сталеплавильной печи ДСВ-5 с выкатным корпусом. При реконструкции печи вместо графитированных электродов были установлены 3 плазмотрона и подовый водоохлаждаемый электрод, печной трансформатор был заменен силовым понижающим трансформатором и блоком полупроводниковых выпрямителей, была улучшена герметичность кожуха и уплотнений. Мощность источника питания была увеличена более чем в 3 раза и составляет теперь почти 10 000 кВА при вторичном напряжении 380 В и силе выпрямленного тока 25 000 А. Несмотря на значительное увеличение мощности и концентрации тепла в сжатой дуге тепловая нагрузка на футеровку стен благодаря экранированию дуги газом не увеличилась, что позволяет значительноинтенсифицировать нагрев и повысить производительность агрегата.

Ввиду того, что преимущества плазменно-дугового переплава наиболее полно реализуются при безшлаковом процессе, шихту подбирают чистой по фосфору и сере, хотя в принципе ПДП позволяет вести процесс со шлаком и удалять эти вредные примеси. Желательно также, чтобы шихта не была сильно окисленной. При выплавке стали некоторых марок шихту целесообразно осветлять как для ВИП. В остальном требования к шихте для ПДП не отличаются от требований, предъявляемых к шихте для обычной дуговой плавки.

При загрузке печи на подину загружают малогабаритную шихту, предохраняющую подину от разрушения и обеспечивающую хороший электрический контакт с подовым электродом.

Для связывания кислорода воздуха, оставшегося в объеме печи после «промывки» его рабочим газом, в состав завалки целесообразно вводить небольшое количество материалов, связывающих кислород (силикокальций, ферросилиций, магний и др.).

Перед включением печи из плавильного объема необходимо вытеснить воздух рабочим газом.

Для этого через один из плазмотронов подают аргон или другой плазмообразующий газ, подняв при этом второй плазмотрон до предела и давая тем самым выход воздуху. Спустя 7—8 мин плазмотрон опускают и начинают плавку.

В начале плавления энергия дуги хорошо поглощается холодной шихтой в анодном пятне и теплопроводностью передается остальной шихте. Под плазмотронами очень быстро прожигаются колодцы. В дальнейшем тепло дуги поглощается в основном скапливающимся на подине печи жидким металлом, сильно перегревающимся и растворяющим твердую шихту.

Таким образом, в отличие от обычных дуговых печей расплавление шихты в плазменных печах идет снизу и футеровка значительное время оказывается экранированной от излучения с поверхности жидкого металла твердой шихтой. Это позволяет значительно увеличивать нагрузку и уменьшать продолжительность расплавления по сравнению с плавлением обычной дугой.

После расплавления и нагрева металла расплав выдерживают для его рафинирования и при необходимости присаживают раскислители и легирующие. Из-за высокой температуры контактирующих с дугой слоев газа и высокой степени диссоциации двухатомных газов при плазменной плавке концентрация газов в металле изменяется в соответствии с изменением их парциального давления в печной атмосфере. Это дает возможность регулировать, например, содержание азота в металле простым изменением его концентрации в атмосфере печи и получать легированную азотом сталь без использования специальных азотированных ферросплавов.

Плазменная же плавка в атмосфере нейтрального газа, содержащего менее 0,02% активных газовых примесей, при давлении 1 кПа (1 ат) термодинамически эквивалентна проведению процесса в вакууме порядка 2 Па и позволяет осуществлять эффективную дегазацию больших масс металла без использования вакуумного оборудования.

Слабым звеном плазменно-дугового переплава в печах с керамическим тиглем является выпуск и разливка металла, так как в это время рафинированная сталь контактирует с воздухом. Разработанные меры по защите металла от воздействия воздуха во время выпуска и разливки пока недостаточно эффективны.

Кроме того, при использовании печей такого типа имеется опасность прогорания подового водоохлаждаемого электрода, что может привести к аварии. Использование плазменного нагрева значительно упрощает технологию получения качественного металла в больших количествах, улучшает условия труда. Плазменная печь работает практически бесшумно и значительно меньше выделяет дыма.

Плазменные дуговые печи применяют для получения стали и сплавов высоколегированных марок высокого качества. В этих печах в результате меньшего угара значительно экономятся легирующие элементы (хром, никель и др.), имеется возможность регулировать содержание азота в металле изменением состава атмосферы.

По сравнению с металлом обычной выплавки качество металла плазменно-дуговой переплав значительно выше, а себестоимость его ниже себестоимости металла вакуумных плавок.

ГЛАВА 2. ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ: РАСШИРЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ

Сжигание отходов является одной из наиболее распространенных и эффективных технологий, позволяющих значительно сокращать объем отходов. На сжигание направляются выделенные в результате сортировки лишь горючие компоненты отходов. Недостатком сжигания радиоактивных отходов является образование опасного для транспортировки, пылящего и непригодного для захоронения продукта — золы, сконцентрировавшей в себе радиоактивные изотопы. различные методы дальнейшего кондиционирования радиоактивного зольного остатка требуют создания дополнительных промышленных установок, транспортирования зольного остатка на переработку, внесения дополнительных материалов и, в ряде случаев, существенных энергетических затрат. Использование для нагрева печей и камер дожигания дымовых газов устройств сжигания углеводородных жидких или газовых топлив в избытке воздуха приводят к образованию больших объемов дымовых газов, нуждающихся в очистке от радиоактивных и вредных химических веществ перед выбросом в атмосферу, эффективность сжигания органических компонентов отходов обеспечивается за счет также двухтрехкратного избытка воздуха, подаваемого на колосники.

В то же время плазменные методы прямой переработки радиоактивных отходов позволяют получать продукт, пригодный для транспортировки и захоронения или долгосрочного хранения. Их преимуществом перед обычными методами сжигания являются как повышенные коэффициенты сокращения объема отходов и снижение объемов образующихся вторичных отходов, так и получение продукта в виде плавленого шлакового компаунда, обладающего высокой химической стойкостью к агрессивным воздействиям окружающей среды. Сдерживающим фактором в развитии плазменных технологий переработки РАО являются высокие степени уноса легколетучих радионуклидов (десятки процентов), прежде всего, цезия-137, из плавителей и других высокотемпературных узлов плазменных установок.

Предварительные работы по выбору материалов и конструкции высокотемпературных узлов и аппаратов для плазменной переработки РАО, исследование и поиск оптимальных технологических режимов, переработка опытных партий имитаторов и реальных РАО проводились на пилотной установке «Пиролиз», созданной в Опытном заводе прикладных радиохимических технологий МосНПО «Радон» [2, 3]. Основой опытной установки являлась печь шахтного типа, состоявшая из шахты и плавителя, узлов загрузки отходов и слива шлакового расплава (см. рис. 1). Сверху плавителя установлен дуговой плазмотрон, в нижней торцевой части плавителя имеется сливное устройство, состоящее из сливного блока со сливным отверстием, установленного горизонтально, и стопора, запирающего сливное отверстие в процессе разогрева плавителя и по окончании слива. Высота шахты от пода ванны составляет 4,2 м, внутреннее сечение 0,4*0,4 м.

Рис. 1. Схема пилотной установки «Пиролиз»

Отработка технологии плазменного кондиционирования отходов проводилась на отходах смешанного типа, включавших как горючие, так и негорючие компоненты. Отходы были упакованы в многослойные бумажные мешки (крафт-мешки). Габариты упаковок находились в пределах 350×350×600 мм. Вес упаковок колебался от 2 до 20 кг; в основном, упаковки имели вес 8−10 кг. Удельная активность отходов находилась в диапазоне от 104 до 106 Бк/кг.

Рис. 2. Шахтная печь: 1 — узел загрузки, 2 — шахта, 3 — под, 4 — бокс приема шлака, 5 — плазмотрон, 6 — стопор, 7 — выход пирогаза.

Средняя производительность печи составила 40−50 кг отходов в час, затраты электроэнергии на плазмотрон составляли от 1 до 2 кВт*ч на 1 кг отходов в зависимости от их состава. Время выхода на рабочий режим шахтной печи не превышало 2−3 часа до начала загрузки отходов и 5−6 часов до начала слива шлака.

Выбранные технологические режимы обеспечили градиент температур от 1500 — 1800оС в подовой части до 200 — 350оС в зоне выхода пирогаза, препятствующий уносу из печи летучих соединений ряда радионуклидов и тяжелых металлов, а также позволили перерабатывать отходы и сливать шлаковый расплав без добавления флюсов.

Получаемый в шахтной печи пирогаз имел теплотворную способность 4,5−5,5 МДж/кг. Это позволило, после начального нагрева с помощью плазмотрона, поддерживать необходимую температуру в камере дожигания за счет тепла, выделяющегося при сгорании пирогазов, при выключенном плазменном источнике нагрева, и эффективно сжигать смолы и сажу. Объемы отходящих газов на выходе из шахтной печи колебались в пределах от 100 до 150 м3/ч, на выходе установки — от 450 до 550 м3/ч. Унос радионуклидов цезия-137 и 134 из шахтной печи не превышал 10−12%, кобальта-60 — 3%, трансурановых элементов — в пределах 1% при средней объемной активности пирогаза на выходе из шахты 0,1 — 2 кБк/м3 (137Cs).

Опытно-промышленная установка «Плутон»

В результате проведенных в МосНПО «Радон» исследований была подтверждена возможность эффективной переработки радиоактивных отходов смешанного типа в плазменной шахтной печи с получением шлакового компаунда, обладающего чрезвычайной стойкостью к агрессивным воздействиям окружающей среды и принято решение о строительстве опытно-промышленной установки производительностью до 200−250 кг/ч (см. рис. 3, таб. 1).

Рис. 3. Технологическая схема установки «Плутон»

Таблица 1. Сравнительные характеристики плазменных установок переработки РАО

Шахтная печь выполнена из огнеупорных и теплоизолирующих материалов с наружной облицовкой стальным листом. Высота шахты 6,4 м (от пода), внутреннее поперечное сечение 0,8*0,8 м, загружаемый объем шахты — 3,5 м³. В своде плавильной камеры размещены два плазмотрона мощностью 100−150 кВт каждый, которые обеспечивают температуру расплава 1500−1700оС.

Отходы с помощью конвейера через шиберные устройства узла загрузки, попадают в верхние слои шахты, заполненной перерабатываемым материалом. Опускаясь под действием силы тяжести, перерабатываемый материал нагревается за счет тепла отходящих газов, движущихся навстречу движению столба материала в шахте печи. В верхних и средних слоях шахты отходы проходят стадии сушки за счет тепла отходящих газов и пиролиза при отсутствии свободного кислорода, сопровождающиеся интенсивным газовыделением. Органические остатки отходов и тугоплавкие неорганические составляющие поступают в нижние слои шахты — зону горения коксового остатка и плавления шлака.

Шлаковый расплав накапливается в плавильной ванне, где он гомогенизируется, перегревается и через узел слива направляется в бокс приемки расплава. Шлак сливается в непрерывном или периодическом режиме в металлические контейнеры, устанавливаемые в приемном боксе. Температура шлакового расплава в ванне печи достигает 1600−1800?С, при этом температура отходящих газов на выходе шахтной печи не превышает 250−300?С. После охлаждения расплава в приемных контейнерах застывший шлак отправляется на полигон долговременного хранения кондиционированных форм радиоактивных отходов.

В конструкции печи предусмотрена возможность подачи в шахту дутьевого воздуха для регулирования производительности печи или состава пирогаза. Пиролизные газы из шахты печи направляют в камеру дожигания, где горючие газовые и аэрозольные компоненты пирогаза сгорают при температуре 1100−1300оС.

Далее отходящие газы охлаждают в испарительном теплообменнике до температуры 300оС, очищают от аэрозолей в рукавном фильтре, охлаждают в теплообменнике и нейтрализуют вредные газообразные компоненты (HCl, NO2, SO2) в абсорбере, орошаемом циркулирующим по контуру щелочным раствором. Перед выбросом в атмосферу отходящие газы проходят дополнительную санитарную очистку в абсолютном фильтре.

Источником нагрева печи служат дуговые плазмотроны, установленные в подовой части печи над ванной, в качестве плазмообразующего газа используется воздух. Для нагрева печи и камеры дожигания используються плазмотроны постоянного тока электрической мощностью 100−150 кВт, разработанные в ГУП МосНПО «Радон». Для питания плазмотронов использованы тиристорные и конденсаторные источники постоянного тока.

Установка оснащена датчиками контроля температур, давления, электрических параметров и расходов сред. Управление установкой производится с пульта, в состав которого входят измерительные приборы, регуляторы тока плазмотронов, комплекс регистрации и управления технологическими параметрами на базе компьютера и контроллера, кнопки пуска и аварийного отключения плазмотронов и индикаторы состояния узлов установки.

Дробление стекла, ПВХ, полиэтилена, дерева, шамотного кирпича и фрагментов автомобильных покрышек дает удовлетворительные результаты. При дроблении бумаги значительно, в десятки раз, увеличивается объем измельченной бумажной массы. Наилучшие результаты дает дробление смеси твердых хрупких материалов (стекло, кирпич) и мягких или пластичных материалов (полиэтилен, ПВХ, ткань, волокно, дерево, картон).

Для загрузки отходов использовался дисковый цепной конвейер в герметичном трубчатом корпусе.

Тем не менее, шахтный процесс из-за очень низкой плотности дробленых отходов обеспечить не удается: на выходе шахтной печи получали очень бедный пирогаз, в шахте наблюдалось сводообразование и зависание отходов.

По результатам испытаний был сделан вывод, что целесообразно вести загрузку в шахтную печь радиоактивных отходов в более плотном состоянии в регламентируемой первичной упаковке (крафт-мешках). С этой целью проводится замена трубчатого цепного конвейера на герметичный ленточный конвейер.

Шахтный режим

Испытания шахтной печи, в целом, подтвердили правильность предварительных расчетов и заложенных конструктивных решений. Температурный режим в процессе переработки модельных отходов соответствовал расчетным значениям. Первоначальное заполнение шахты отходами составляло от 800 до 1300 кг, температура газов на выходе из шахты находилась в пределах от 130 до 250оС. Производительность печи в процессе последующей загрузки варьировалась в диапазоне от 170 до 300 кг/ч, в зависимости от морфологии отходов и условий переработки. Поддержанием температуры пирогаза в верхней части шахты в пределах 200−350оС обеспечивается взрывобезопасность процесса. При постоянном уровне заполнения шахты отходами процесс переработки приближается к стационарному, и состав пирогаза на выходе шахты примерно постоянен (определяется составом перерабатываемых отходов), т. е. залповые выбросы отдельных компонентов (СО, Н2 и др.) из шахтной печи практически отсутствуют. Это облегчает работу камеры сжигания пирогазов и системы газоочистки. Кроме того, благодаря охлаждению газов во время движения по шахте скорость их значительно снижается, что способствует уменьшению уноса аэрозолей.

Режим работы плавителя

В первых экспериментах на пилотной установке при отсутствии плазмотрона достаточной мощности от 60 до 75 кВт в плазменную струю вводили дополнительное жидкое топливо, а к перерабатываемым отходам добавляли флюс (боросиликатное стекло), снижающий температуру плавления шлака до 1300−1400оС, в количестве 3−5% от массы отходов. В дальнейшем повышение мощности плазмотрона до 80−100 кВт позволило перерабатывать отходы и сливать шлаковый расплав без добавления топлива и флюсов при температуре в подовой части печи от 1500 до 1800оС. Отказ от использования флюса позволил повысить ресурс огнеупорных материалов, из которых выполнен плавитель печи.

В результате переработки радиоактивных отходов и их имитаторов получен шлаковый компаунд, радионуклидный и химический состав которого представлен в табл. 3 и 4.

Таблица 2. Радионуклидный состав шлаков, Бк/кг

Таблица 3. Химический состав полученных шлаков, масс. %

Плотность шлаков находилась в пределах 2,7 — 2,9 г/см3. Полученные радиоактивные шлаки являются чрезвычайно устойчивым к химическому воздействию материалом; скорость выщелачивания радионуклидов (137Cs) в воде, в среднем, была на порядок ниже подобного показателя для боросиликатных стекол и находилась на уровне 10−6 г/см2*сутки (см. табл. 4). Шлак позволяет надежно фиксировать тяжелые металлы (свинец, цинк, медь никель и т. п.) в значительных количествах.

Таблица 4. Характеристика химической стойкости шлаков Пирогаз

Получаемый на выходе из печи пирогаз содержит горючие газы, пары смолистых веществ и аэрозоли сажи и золы (см. табл. 5). Их сжигали в избытке воздуха при температуре 1100−1300оС в камере дожигания. Нагрев камеры дожигания обеспечивали с помощью плазмотрона, установленного вертикально в форкамере.

Калорийность получаемого в шахтной печи пирогаза зависела от морфологии отходов и достигала 5−9 МДж/кг, поэтому после начального нагрева с помощью плазмотрона камера дожигания продолжала работать в автотермическом режиме при температуре, достигающей 1300−1400оС, за счет тепла, выделяющегося при сгорании пирогазов, при выключенном плазменном источнике нагрева. Такие условия в сочетании со временем пребывания отходящих газов в камере около 2 секунд обеспечивают глубокое окисление токсичных органических соединений, смол и сажи, таким образом выделяя дополнительное количество теплоты, а ступенчатый ввод воздуха препятствует образованию оксидов азота.

Таблица 5. Состав пиролизных газов на выходе из шахтной печи

Степень очистки выходящих из шахтной печи пирогазов в камере сжигания от горючих компонентов (летучих и тяжелых углеводородов, смолистых веществ, водорода, окиси углерода, аммиака, углерода, цианистого водорода) 99,9−100%, от аэрозолей — 87−99% в зависимости от их содержания в пиролизных газах и доли негорючих компонентов.

Каждый килограмм вводимого в печь сжигания или камеру дожигания углеводородного топлива увеличивает объем отходящих газов на 12−15 м3, внося также дополнительное количество оксидов серы (за счет содержащейся в топливе серы) и продуктов неполного сгорания, прежде всего, углеводородов и оксида углерода. Напротив, использование воздушно-дугового плазмотрона в качестве источника нагрева эквивалентно замене топливной форсунки производительностью 12−15 кг топлива в час (50−60 м3 воздуха вместо 150−200 м3 дымовых газов в час), а использование тепла сгорания пирогаза в камере дожигания для поддержания необходимой температуры позволяет экономить до 20−30 л топлива в час.

Таким образом, замена процессов выборочного сжигания горючих радиоактивных отходов на разработанный плазменный метод переработки отходов смешанного типа без дополнительной сортировки позволяет не только получить в одну стадию продукт, обеспечивающий за счет своих физико-химических свойств максимальную безопасность для окружающей среды, но и значительно снизить нагрузку вредных выбросов на атмосферу. Указанные выше сравнительные оценки технологий и выводы сделаны на основе результатов проведенных в ГУП МосНПО «Радон» опытных работ и испытаний установок «Пиролиз» и «Плутон», в процессе которых переработано более 25 тонн имитаторов твердых радиоактивных и бытовых отходов и получено около 5 тонн шлакового компаунда. Эти результаты подтверждают и реальность выполнения всех экологических требований, перечисленных выше.

Основным ограничивающим фактором высокотемпературных технологий переработки радиоактивных отходов является высокая степень уноса отдельных радионуклидов, которая, например, для 137Cs достигает 80−98%. В случае использования шахтной технологии унос радионуклидов из печи нам удалось добиться существенного подавления уноса радионуклидов, что резко повысило рентабельность разработанной технологии. Так, унос радионуклидов цезия-137 и 134 из шахтной печи при соблюдении шахтных технологических режимов (заполнение шахты не менее 80% по высоте, температура пирогаза на выходе из печи в пределах 250−350оС) не превышал 12% при средней объемной активности пирогаза на выходе из шахты 0,1−2 кБк/м3 (137Cs), кобальта-60 — 3%, трансурановых элементов — в пределах 1%. Шахтный режим реализован так, что большая часть радионуклидов, уносимых отходящими газами, улавливалась на отходах посредством физической конденсации и вновь направлялась в зону плавления. Это позволило значительно уменьшить унос радионуклидов и повысить долю активности, включаемой в расплав.

Глава 3. НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ РУД И ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ В ПЛАЗМЕННЫХ ШАХТНЫХ РУДНОТЕРМИЧЕСКИХ ПЕЧАХ — «EPOS-PROCESS»

На разработанном действующем оборудовании — плазменных шахтных рудотерми-ческих печах доказаны преимущества использования технологии «EPOS-process» для экономичной переработки ряда руд и промышленных отходов как альтернативы рудотерми-ческим печам традиционной схемы.

За последние годы нами теоретически разработана и технически проверена на ряде новых технологических установок [1−7] технология «EPOS-process» — восстановление металлов из руды и промышленных отходов с применением нового поколения рудовос-становительных электропечей шахтного типа с плазменными нагревателями-горелками специальной конструкции.

На основании предложений ряда крупных предприятий России по переработке руд и отходов за 2009;2010 гг. были выполнены расчетные и опытные работы по отработке технологии извлечения металлов из руд месторождения ЧЕК-Су, техногенных отходов ряда шахт и предприятий Кузбасса, Урала, а также руд месторождений Грузии, Украины. Выполненные работы показали, что «EPOS-process» прекрасно применим для переработки широкого спектра рудного минерального сырья и техногенных образований металлургических комбинатов и предприятий добывающего комплекса. В зависимости от состава исходного продукта, техникокоммерческие преимущества «EPOS-process» достигают от десятков процентов — до 2,5 и более раз, а создание цеха обходится вдвое дешевле.

Общий вид электропечи РШПП-1,5И1 (мощностью 1,5 МВт, производительностью 1,0 тонна силикомарганца или около 4,5 тонн расплава в час, поставленной и запущенной нами в г. Новокузнецке с получением на ней первого расплава из руды, в апреле 2009 г.), рабочая зона и фото приведены на рисунках 1−3. Оставаясь принципиально новой и базовой для развития, к сегодняшнему дню, благодаря серии научноисследовательских работ последних лет, конструкция плазменной РВП претерпела значительные усовершенствования.

Результаты работ, доложенные на научных конференциях [2, 4−6], проведенные обсуждения заявленной технологии с ведущими специалистами России (в т. ч. — с Генеральным директором Уральского института металлов,

Рис. 1. Общий вид плазменной шахтной печи для технологии «EPOS-process»

чл.-корр. РАН, проф. Смирновым Л. А. в 2010 г., возглавляющим ведущую школу в области марганцевых ферросплавов), оценки многих авторитетных независимых экспертов позволяют уверенно заявлять, что подобная конструктивная схема печи и технология выплавки силикомарганца применяется впервые, содержит безусловные преимущества и не имеет аналогов.

Рис. 2. Плазмотрон и формы рабочего факела, обеспечиваемые системой управления плазменной дугой Проведя сравнительные исследования и расчеты вариантов конструкции печей различных схем, мы пришли к выводу о наличии существенных и неоспоримых преимуществ у печей шахтного типа, как прототипов будущих мощных электротермических агрегатов для восстановительных процессов, идущих на замену существующего поколения печей, и разработали специальный «вечный» плазмотрон для ведения процесса. Многие специалисты еще недостаточно оценили открывающиеся преимущества. Имея в виду существовавшие ранее схемы плазмотронов и печей, их низкие ресурсы, присущие им недостатки (в т. ч. низкий КПД), ограничивающие сферу их применения, они настаивают на неперспективности плазменных печей, на развитии отечественной ферросплавной промышленности по традиционному, устаревшему пути, что в перспективе ближайшего десятилетия закладывает ее отсталость и неконкурентоспособность. Поэтому мы еще раз останавливаемся на описании принятых технических решений. Впервые реализована схема процесса и печи с конструкцией плазмотрона, работающего под слоем шихты, в контакте с ней, с рабочей дугой, каскадом горящей с коаксиальных электродов на руду, без подового электрода, схема контролируемой замкнутой рециркуляции запыленного горячего неочищенного газа, с его подачей дымососами в плазмотрон с графитовой расходной частью, наращиваемой в процессе работы, не имеющий ограничений по ресурсу, управляемой во время плавки формой плазменного факела, с полным использованием в печи, в процессе плавки, химической и тепловой энергии восстановителя, малыми выбросами газа и пыли в систему газоочистки (схема — рис. 4).

Преимущество печей шахтного типа заключается в возможности создания условий для правильного протекания восстановительных процессов в твердой фазе. При этом появляются дополнительные возможности экономии энергии, через применение регенерации тепла отходящих газов за счет подаваемого сырья, экономии исходного сырья, снижении потерь улетом и с пылью, полным использованием химической энергии газов благодаря правильной работе шахты с сырьем. Экспериментально подтверждено, что правильно структурированная управляемая плазма, работающая в точно выбранной зоне печи, позволяет увеличить процент извлечения полезных компонентов из руды до 90−95 °% от исходного, и это делает плазменный шахтный процесс восстановления, при правильном его понимании и управлении, одним из самых перспективных в области переработки руд и утилизации промышленных отходов. Рис. 5. Мнемосхема САУ на экране управления и пульт управления РШПП-1,5 Кратко напомним особенности «EPOS-process»:

в качестве основных восстановителей работает водород и оксид углерода, процессы идут при отсутствии дополнительного избыточного окислителя, восстановитель требуется исключительно для реакций восстановления и компенсации потерь, в печном газе на выходе из печи должен быть СО2 и Н2О;

используется спроектированный «самодостаточный» брикет, содержащий компоненты в требуемых пропорциях;

используется управляемая рециркуляция горячих печных газов контролируемого состава по максимально короткому контуру, с подачей их без очистки и охлаждения в специальный плазмотрон и в установленные тракты;

используется высокая шахта, в которой по заданному алгоритму проходят процессы сушки, предварительного подогрева, твердофазного восстановления;

используется специальная геометрия реакционной зоны, в которой происходит расплавление полученного металла и шлаков, завершаются химические реакции;

— минимизированы все потери тепла и энергии.

Как мы указывали ранее, и это подтверждено длительными неудачными попытками конкурентов повторить наши результаты в 2009;10 году, в технологии нет мелочей и незначимых аспектов, в частности, проблема плазменных печей может заключаться в неправильной схеме, недостаточном ресурсе, технической сложности и сравнительно низком КПД металлургических плазмотронов прежних схем. Традиционно применяемые плазмотроны, используемые обычным образом, дают обратный эффект и дискредитируют технологию плазменной РВП. Этому вопросу мы уделили особое внимание, и на сегодняшний день отработаны простые и надежные плазменные узлы, в т. ч. коаксиальные, с управляемой формой плазменного факела, с графитовыми электродами, работающие с КПД более 97 °% и не имеющие ограничения по ресурсу, не загрязняющие расплав медью и другими материалами, не содержащимися в шихте, позволяющие печи работать безостановочно в течение всей кампании, до регламентных работ и ремонта печи [7−12]. Для повышения КПД мы специальным образом организовывали геометрию рабочих зон и сход шихты, чтобы защита неохлаждаемой футеровки осуществлялась ею. Считается, что при использовании плазмотронов свод, шахта, плазмотроны должны быть водоохлаждаемыми, как являются водоохлаждаемыми основные элементы мощных ДСП. Это заблуждение идет от недопонимания физико-химических процессов в шихте и в рабочей камере, технологии восстановления и плавки, идущих в плазменной шахтной печи; водоохлаждаемая во всех частях печь, без регенерации, делает технологию неконкурентоспособной не только с шахтной схемой, но даже с обычной РВП.

Качественную работу агрегата обеспечивает также правильный брикет, о чем мы подробно писали ранее [2, 3, 6].

Применение «EPOS-process» уменьшает в десятки раз унос материалов из печи, снижает требования к системам пылегазоочистки, годовой выброс пыли может составить около 9−10 тонн на программу выпуска до 45 000 тонн силикомарганца (при работе 5 печей указанной мощности). Правильно подобранный режим позволяет снизить энергопотребление печи более, чем в полтора раза, сократив удельный расход электроэнергии, а общие энергозатраты — в 2−2,5 раза. Все эти решения в полной мере были заложены в проекте электропечи РШПП-1,5И1.

Важным новым масштабным проектом получения ферросплавов из руды является проект переработки руд месторождения ЧЕК-Су, Кузбасс-Красноярск. Масштаб месторождения Таблица 1. Сравнительные данные оценок традиционной технологии РТП и технологии «EPOS-process» для переработки руды ЧЕК-Су с получением ферромарганца и силикомарганца

(более 98,5 млн тонн, из общих российских запасов — около 148,2 млн тонн) и его сложность (наличие более 92 млн тонн карбонатных и 5,7 млн тонн окисленных руд), с переработкой коллективного концентрата в год 727,14 тыс. тонн, с количеством марганца 205,41 тыс. тонн (массовая доля марганца в коллективном концентрате 28,25%%) делает актуальным новые современные подходы. Применение традиционных открытых рудотермических печей в проекте требует установленной мощности печей более 360МВА, и выводит тем самым вопрос оптимизации затрат на первый план.

Особенностью Усинского марганцевого сырья является высокое содержание фосфора, составляющего 0,23 процента в окисленной и 0,15 процента в карбонатной руде. Имеющийся проект получения ферросплава традиционным путем дает продукт с содержанием фосфора 0,33 и 0,42%%. По опыту применения ферросплавов, исходя из сформировавшихся потребностей рынка, полагаем, что продукт с содержанием фосфора 0,33 и 0,42%% не будет востребован. Проект может быть очень затратен, даже только по энергетической части (не говоря о других особенностях), и даже, может оказаться, нерентабелен в перспективе.

Нами выполнена предварительная разработка модифицированного под данное сырье варианта «EPOS-process», который обеспечивает, в отличие от заложенного в проекте концентрации фосфора в ферросплаве 0,33 и 0,42%%, содержания фосфора 0,06−0,02%% и менее.

Оценки подтверждают, что процесс по технологии «EPOS-process» реализуется при почти втрое меньшей установленной мощности оборудования, а расходуемой мощности — почти вдвое меньшей, чем по традиционной схеме переработки (табл. 1). Это может принципиально изменить технологию в лучшую сторону.

Экспериментальные данные переработки аналогов брикета по проекту ЧекСу дают положительные результаты реализации «EPOS-process» в данном проекте взамен традиционных печей.

Авторы выполнили также расчеты применения технологии «EPOS-process» для переработки ферросплавов без марганца — ферросилиция, феррохрома, феррованадия, ферротитана и иных ферросплавов. Каждый из упомянутых процессов имеет, при его реализации, существенные индивидуальные особенности, которые должны быть учтены в концепции плазменной шахтной печи, общим же для всех процессов, на основании выполненных оценок, является возможность существенной экономии энергозатрат при производстве ферросплава, повышение коэффициента использования восстановителя до двух раз, резкое снижение материалоемкости проекта, затрат на инфраструктуру, а также многократное снижение пылегазовых выбросов.

В настоящее время осуществляются практические работы по промышленной отработке технологии получения ферросилиция, подготовка работ по ферротитану.

Схема и конструкция шахтной плазменной печи по реализации «EPOS-process» в 2009 г. получила положительное заключение экспертизы промышленной безопасности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Преимуществами разработанного плазменного шахтного процесса перед традиционным сжиганием отходов являются:

— отсутствие необходимости в тщательной сортировке отходов;

— возможность получения конечного продукта необходимого качества в одной установке без промежуточных стадий;

— существенное сокращение (в 1.5−2 раза) объема отходящих газов в результате применения плазменных источников нагрева вместо топливных устройств.

Разработанная технология позволяет эффективно перерабатывать как радиоактивные, так и опасные промышленные, медицинские и бытовые отходы.

Ведутся работы по проектированию комплекса плазменной переработки РАО низкого и среднего уровня активности производительностью до 250 кг/ч для атомных электростанций и работы по созданию демонстрационного комплекса плазменной переработки бытовых отходов производительностью до 500 кг/ч в Израиле.

1. Безруков И. А., Помещиков А. Г. Новые разработки НПП «ЭПОС». «Электрометаллургия», 2008. № 7. С. 46.

2. Помещиков А. Г., Павлов В. В., Моисеев О. Б., Малышев С. Н., Безруков И. А. Получение железа и ферросплавов способом водородно-углеродного восстановления в шахтной плазменной печи. Труды конференции с международным участием «Перспективы развития технологий переработки вторичных ресурсов в Кузбассе. Экологические, экономические и социальные аспекты». Кемеровский государственный университет. 6−9 октября 2009 г.

3. В. В. Павлов, А. Г. Помещиков, И. А. Безруков, С. Н. Малышев. Плазменная шахтная руднотермическая печь нового поколения. М. — Электрометаллургия//2010, № 1. — С. 13−17.

4. Безруков И. А., Малышев С. Н., Кузнецов А. П., Пархомук И. С. Исследование характеристик электродугового плазмотрона коаксиального типа. НАУКА. ТЕХНОЛОГИИ. ИН-НОВАЦИИ//Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых в 7-и частях. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2008. Часть 3−212 с.

5. И. А. Безруков, С. Н. Малышев, А. П. Кузнецов, И. С. Пархомук. Экспериментальные исследования характеристик электродугового плазмотрона коаксиального типа. Труды международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии», Тольятти, 12−15 мая 2009 г. — Тольятти: Изд-во ТГУ, 2009.

6. И. А. Безруков, С. Н. Малышев, А. П. Кузнецов, И. С. Пархомук, М. Н. Соколовский, Е. П. Демиденко. Плазменные шахтные печи для получения стали и ферросплавов из руды. Труды международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии», Тольятти, 12−15 мая 2009 г. — Тольятти: Изд-во ТГУ, 2009.

7. Безруков И. А., Алиферов А. И. Многодуговая плавильная электропечь. М. — Элек-трометаллургия//2004, № 4. — С. 10−14.

8. Устройство для ведения плавки с жидким стартом. Патент РК № 13 361. от 05.11.2001.Безруков И. А. и др.

9. Устройство для ведения плавки с жидким стартом Патент РК № 13 844. от 05.11.2001.

10. Безруков И. А. и др. Способ ведения плавки с жидким стартом и устройство для его осуществления Патент РК № 13 726. о т 05.11.2001. Безруков И. А. и др.

10. Способ ведения плавки с жидким стартом и устройство для его осуществления Патент РК № 14 141. от 01.10.2001. Кислов А. П. Безруков И. А., Алиферов А. И.

11. И. А. Безруков. Способ ведение плавки и устройство для его осуществления. Патент № 2 361 375. от 26.11.2007 г.