СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ЗАМАСЛЕННОЙ ОКАЛИНЫ
UTILISATION METHOD OF OILY SCALE

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к прокатному и доменному производству, и может быть использовано для утилизации замасленной прокатной окалины.
Замасленная окалина образуется в процессе горячей прокатки при смешении пылевидной окалины с водой, применяемой для охлаждения валков и металла, и с минеральными маслами, используемыми для смазки. Проблема ее утилизации стоит перед всеми предприятиями (металлургическими и машиностроительными), имеющими прокатное производство. Возврат замасленной окалины в производственный процесс наиболее экономичным и экологичным способом является одной из актуальных задач.
Замасленная окалина бывает двух сортов: крупная (более 70 мкм), улавливаемая в первичных отстойниках, содержащая 1-2% масла и используемая в агломерации, и мелкая (менее 70 мкм), улавливаемая во вторичных отстойниках, содержащая до 15-30% масла. Высокая замасленность мелкой окалины является одной из проблем ее утилизации.
Мелкая замасленная окалина не может использоваться для получения агломерата, так как в процессе агломерации происходит частичное испарение и неполное сгорание масла, а потому налипание образующейся сажи и пыли на роторы эксгаустеров агломерационных машин, что приводит к их поломке. Мелкая замасленная окалина накапливается в отвалах, которые относятся к 4-й категории экологической опасности.
Известен способ утилизации отходов прокатного производства, содержащих смесь замасленной окалины с водой, включающий термическую обработку с нагревом до 80-98°С и выдержкой при этой температуре в течение 24-50 ч, отделение отстоя и его последующую переработку,
при этом перед  термической обработкой смесь отстаивают в течение 50-150 ч с удалением первичного отстоя, а переработку ведут путем смешивания с окисью кальция в порошкообразном состоянии при соотношении масс окиси кальция и отстоя 0,9-1,3:1 и температуре отстоя 80-110°С, после чего смесь термостатируют в течение 12-16 ч. (патент РФ №2106891, МПК B01D 21/00, C02F 1/40, опубл. 20.03.1998).
Недостатком способа является его сложность, повышенные энергозатраты и загрязнение окружающей среды, связанные с использованием большого количества воды и трудностью ее очистки от масла. При этом также не полностью используется энергетический потенциал масла.
Известен способ утилизации мелкой замасленной прокатной окалины, включающий ее обработку кислотными растворами, с последующим удалением масла из растворов посредством пенной флотации (патент РФ №2080397, МПК C22B 1/248, опубл. 27.05.1997).
Способ обладает следующими недостатками:
1) наличие большого количества операций (обработка окалины отработанными травильными растворами, отделение окалины флотацией, обработка пенного продукта в гидроциклоне и центробежном сепараторе, окончательная очистка масла от воды и шлама на передвижной маслоочистительной установке ПСМ-4М с выделением шлама, масла и воды);
2) необходимость дальнейшей утилизации получаемых побочных продуктов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ утилизации замасленной прокатной окалины, включающий предварительное разделение окалины на крупную (более 75 мкм) и мелкую (менее 75 мкм) фракции, измельчение крупной фракции до размера частиц менее 50-75 мкм, а затем смешение влажной окалины с жидкими реагентами, в качестве которых используют отработанные моторные масла, и/или отходы нефтепродуктов, и/или отработанное трансформаторное масло, и/или жидкие отходы коксохимического производства, и/или сточные воды, загрязненные нефтепродуктами. Полученную смесь направляют в эмульгирующий аппарат с получением стабильного композитного топлива, нагревают его до температуры 50-90°C и подают в доменную печь посредством воздушной фурмы под давлением, превышающим давление горячего дутья на 50-250 кПа. Соотношение окалины, воды и жидких углеводородов в полученном топливе поддерживают соответственно в пределах (30-60):(15-30):(25-50) (патент РФ №2241761, МПК C21B 5/00, опубл. 25.11.2003).
Недостаток предлагаемого способа - разделение во времени различных операций (отделение крупной окалины от мелкой, измельчение крупной фракции, смешивание подготовленной окалины с жидкими реагентами и водой в смесителе, эмульгирование смеси в отдельном аппарате, нагрев полученного топлива).
Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение технологии утилизации замасленной прокатной окалины и предотвращение загрязнения окружающей среды.
Поставленная цель достигается тем, что в способе утилизации замасленной окалины, включающем измельчение замасленной окалины, смешивание измельченной окалины с жидкими углеводородами и водой, обработку смеси с получением композитного топлива, нагрев его и подачу в доменную печь посредством воздушной фурмы, согласно изобретению измельчение замасленной окалины, ее смешивание с жидкими углеводородами и водой, обработку смеси с получением композитного топлива и его нагрев осуществляют одновременно в гидроударной кавитационной установке, содержащей лопастное рабочее колесо с периферийной кольцевой стенкой и рядом выполненных по ее окружности выходных отверстий, статор с расположенной коаксиально относительно рабочего колеса стенкой и образованной периферийной кольцевой стенкой рабочего колеса и коаксиальной стенкой статора кольцевой резонансной камерой, при этом смесь указанных компонентов подают сначала в полость лопастного рабочего колеса упомянутой установки через выпускное отверстие статора, затем через ряд выходных отверстий на периферийной кольцевой поверхности рабочего колеса в кольцевую резонансную камеру с обеспечением воздействия на смесь указанных компонентов резонансных колебаний звуковой и сверхзвуковой частоты до достижения кинематической вязкости полученного композитного топлива равной 0,5-0,9 стокса, при этом получают композитное топливо с содержанием окалины 20-25 мас.%, а воды - 10-30 мас.%.
Кроме того, в качестве жидких углеводородов в шихте используют мазут.
При содержании твердой фазы в смеси более 25 мас.% увеличивается вязкость полученного композитного топлива и время на измельчение окалины, что увеличивает энергетические затраты на изготовление топлива, состоящие из затрат на измельчение и дополнительный нагрев для получения необходимой вязкости. При содержании твердой фазы в смеси менее 20 мас.% снижается производительность способа по количеству утилизируемой окалины в единицу времени.
При содержании воды в жидкой части смеси менее 10 мас.% резко снижается эффект, заключающийся в том, что при попадании в поток горячего, обогащенного кислородом дутья мелкодисперсных капелек композитного топлива, содержащиеся в нем высокодисперсные частицы водяной фазы практически мгновенно испаряются, превращаясь в паровые пузырьки, которые разрывают капельки композитного топлива на мельчайшие частицы, т.е. происходит вторичное, более тонкое дробление топлива. В этом случае ускорение и полнота протекания процесса горения композитного топлива в полной мере позволяют компенсировать затраты теплоты на испарение влаги.
При содержании воды в жидкой части смеси более 30% снижается энергетическая эффективность композитного топлива из-за дополнительных затрат на нагрев и испарение воды.
При крупности частиц окалины менее 50 мкм композитное топливо обладает седиментационной устойчивостью, достаточной для исключения расслоения в процессе его использования.
Установлено, что для достижения высокого качества распыления композитного топлива (тонкости и равномерности) и обеспечения высокой производительности форсунок кинематическая вязкость его должна быть не более 0,9 стокса. Для достижения вязкости менее 0,5 Стокса необходим дополнительный нагрев, что требует дополнительных энергетических затрат.
Гидроакустическая обработка смеси осуществляется путем резонансного возбуждения с целью деструктивного воздействия на химические связи на молекулярном уровне. Такой обработке можно подвергать различные виды жидкостей, в том числе взаимно не смешивающиеся.
Кавитационная гидроударная установка имеет лопастное рабочее колесо с периферийной кольцевой стенкой и рядом выполненных по ее окружности выходных отверстий; статор, имеющий коаксиальную по отношению к рабочему колесу стенку и кольцевую резонансную камеру, образованную периферийной кольцевой стенкой рабочего колеса и коаксиальной стенкой статора. Сборная камера образована внутренней поверхностью статора и наружной поверхностью покрывающего диска рабочего колеса.
Смесь указанных компонентов подают сначала в полость лопастного рабочего колеса через выпускное отверстие статора. В процессе вращения рабочего колеса обрабатываемая смесь попадает из его полости в кольцевую резонансную камеру через ряд выходных отверстий, распределенных на периферийной кольцевой поверхности рабочего колеса. В пределах резонансной камеры смесь продолжает вращаться и при этом испытывает резонансные колебания звуковой и сверхзвуковой частоты, которые возникают в результате взаимодействия элементарных потоков, истекающих из выходных отверстий рабочего колеса, между собой и с коаксиальной поверхностью статора. Обработанная смесь отводится из резонансной камеры в сборную камеру, а оттуда через выпускные отверстия ее подают в накопительную емкость.
Изготовление композитного топлива путем кавитационного гидроударного ультразвукового воздействия сопровождается протеканием сложных физико-химических процессов, в результате которых молекулярные цепочки органического топлива рвутся, образуя большое количество активных связей молекул. Кроме того, с помощью кавитации происходит разрыв самих молекул с образованием свободных валентно ненасыщенных радикалов углеводородов, имеющих большую способность к возгоранию, чем замкнутые молекулы. При этом полимерные цепочки молекул воды также подвергаются разрушению. Вода переходит в мелкодисперсное состояние с образованием свободных радикалов H и OH, которые участвуют в процессе горения значительно активнее, образуя со свободными радикалами органического топлива нестабильные легко окисляемые соединения.
Одновременно кавитационное гидроударное ультразвуковое воздействие разрушает твердые частицы, что приводит к их дополнительному измельчению.
Смесь, полученная из 23,5 кг замасленной окалины крупностью менее 5 мм, содержащей 16,5 кг окалины, 4,7 кг масла и 2,3 кг воды, и 59 кг обводненного мазута (мазут 54,4 кг, вода 4,3 кг), с помощью кавитационного насоса циркулирует в замкнутом контуре реактора, подвергаясь измельчению и эмульгированию. В процессе обработки температура смеси достигает 80°C, крупность частиц окалины менее 50 мкм, а вода равномерно распределяется в композитном топливе в виде капель крупностью менее 10-20 мкм. Кинематическая вязкость композитного топлива - 0,73 Ст.
3
Оценку эффективности утилизации замасленной окалины в соответствии с изобретением путем приготовления из нее композитного топлива и его вдувания посредством воздушных фурм в доменную печь выполнили путем компьютерного моделирования доменной плавки применительно к условиям работы доменной печи №9 ОАО "ММК" полезным объемом 2014 м при содержании в композитном топливе окалины в количестве 1% от общего количества руды.
Таблица
База
Вариант
Производительность, т/сут
4351
4351
Общий расход руды, кг/т чугуна
1657
1654
Агломерат ММК, кг/т чугуна
1110
1097
Окатыши ССГОК, кг/т чугуна
547
541
Среднее содержание Fe, %
58,77
58,88
Общий расход флюса, кг/т чугуна
24
24
Флюс, кг/т чугуна
24
24
Общий расход кокса, кг/т чугуна
453,75
431,04
Кокс ММК, кг/т чугуна
453,75
431,04
Выход пыли, кг/т чугуна
32
32
Потери металла, кг/т чугуна
20
20
Расход газообразного топлива, м<sup>3</sup>/т
97
53,57
Расход композиционного топлива, кг/т
0
82,50
Дутье:
Количество, м<sup>3</sup>/т чугуна
1081
1074,43
м<sup>3</sup>/мин
3266
3246,50
Температура, °C
1064
1064
влага, г/м<sup>3</sup>
8
8
Кислород, %
26,44
26,44
м<sup>3</sup>/час
13842
13761
Колошниковый газ:
выход, м<sup>3</sup>/т чугуна
1665
1659
давление, атм
1,44
1,44
CO, %
24,25
24,46
CO<sub>2</sub>, %
20,08
20,30
H<sub>2</sub>, %
7,75
7,47
N<sub>2</sub>, %
47,92
47,77
температура, °C
186
190,50
теплотворная способность, кДж
3903
3899
степень использования: CO
0,453
0,453
Н<sub>2</sub>
0,431
0,428
Теоретическая температура горения, °C
2022
2014
Выход шлака, кг/т чугуна
315
310,6
Таким образом, использование предлагаемого композиционного топлива позволяет одновременно утилизировать замасленную окалину и жидкие углеводороды, например мазут без вредного воздействия на окружающую среду, получить экономию кокса, газа и снизить выход шлака.