СПОСОБ ПОДОГРЕВА МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СКРАПА
METHOD OF METAL SCRAP HEATING

Изобретение относится к области черной металлургии, конкретно к подготовке металлического скрапа для производства стали в электрической дуговой печи.
Из уровня развития техники известен способ (Калмыков В.А., Карасев В.П. Электрометаллургия стали: Учебн. пособие. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1999. 292 с.) низкотемпературного подогрева скрапа стального лома отходящими газами электродуговой печи. Горячие отходящие газы электродуговой печи просасываются через корзину с ломом. Охлажденные газы из корзины смешиваются с газами из печи, смесь этих газов поступает в дымосос и подается в систему газоочистки.
Данный способ имеет следующие недостатки:
- большие потери энергии отходящих газов между печью и корзиной для лома;
- наполнение газоходов пылью;
- недостаток времени предварительного нагрева на высокопроизводительных печах;
- значительное время отключения электроэнергии от печи при загрузке лома;
- загрузка лома должна осуществляться точно в соответствии с циклом нагрева;
- связь с оборудованием перед печью снижает гибкость технологического процесса.
- наконец, если в ломе имеется даже небольшое количество пластика, то при температурах выше 200°С, при которых осуществляется подогрев лома в данном способе, он начинает гореть с выделением фенолов. А выбросы фенолов не удаляются обычными системами газоочистки сталеплавильных печей.
Известен способ нагрева чугунного скрапа перед плавкой (SU 1830084), включающий предварительное его измельчение и подачу во вращающуюся наклонную печь барабанного типа в противотоке с подаваемыми горючими газами, причем скрап подвергают нагреву без доступа воздуха при температуре, обеспечивающей пиролиз органических материалов в скрапе, при этом образующиеся горючие газы используют для получения тепловой энергии, используемой для нагрева скрапа.
Недостатком этого способа является его сложность и, как следствие - большие капитальные затраты на реализацию устройства по этому способу, так как способ предусматривает такие дорогие в реализации процессы, как: дробление скрапа; добавление к скрапу необходимого количества органических соединений для получения нужного объема пиролизных газов; собственно пиролиз без доступа воздуха во вращающейся печи, для которой очень непросто обеспечить герметизацию, да и сама вращающаяся печь представляет собой сложное и дорогое устройство. Кроме того, все упомянутые устройства в непрерывном режиме потребляют электроэнергию, что уменьшает заявленный экономический эффект, так как электроэнергия много дороже обычно применяемого для подогрева скрапа природного газа. Таким образом, реализация способа приводит к существенному увеличению эксплуатационных расходов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ предварительного нагрева металлического скрапа (FERROUS SCRAP PREHEATING SYSTEM. PHASE III=FINAL REPORT. Work Performed Under Contract No. DE-AC02-89CE40874. Prepared For: U.S. Department of Energy Washington, D.C. Prepared By: Surface Combustion, Inc. Maumee, Ohio 43537, Surface Contract Number RX-6127.
http://www.osti.gov/bridge/purl.cover.isp?purl=/373823-EEAqsm/webviewable/373823.pdf).
Способ предусматривает рециркуляцию отходящих из камеры подогрева скрапа газов, которые поступают в дымовой реактор, где сжигаются с некоторым количеством природного газа, причем продукты сгорания под действием рециркуляционного дымососа поступают обратно в камеру нагрева с той же стороны камеры, с которой и забирались, т.е. - сверху. Избыток образовывающихся в дымовом реакторе газов под действием вентилятора поступает в дымовую трубу и выбрасывается в атмосферу.
Недостатком данного способа является то, что на дожигание органических соединений, выделяющихся из скрапа, требуется очень большое количество энергии, что делает способ неэкономичным. Кроме того, рециркуляционный и вентиляционный дымососы установлены на выходе из дымового реактора, т.е. работают при высоких температурах, что снижает надежность способа. Наконец, подача и забор рециркуляционных газов с одной стороны камеры подогрева, сверху, не исключает возникновение паровых взрывов при загрузке обледенелого скрапа, что недопустимо в металлургическом производстве.
Основной задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является создание безопасного, экономичного, надежного способа подогрева металлического скрапа, позволяющего осуществить полное обезвреживание органических соединений, образующихся при подогреве металлического скрапа с органическими включениями, исключающего вредное воздействие этих соединений на окружающую среду.
Поставленный технический результат достигается тем, что в способе подогрева металлического скрапа, предусматривающего использование контура рециркуляции газов, забираемых из верхней части камеры подогрева скрапа, причем эти газы проходят через дымовой реактор, в котором сжигаются с необходимым количеством природного газа, а затем возвращаются в нижнюю часть камеры подогрева скрапа, при этом дымосос, обеспечивающий эту рециркуляцию, установлен между камерой подогрева скрапа и дымовым реактором, добавлен процесс термокаталитического обезвреживания в термокаталитическом реакторе при относительно низкой температуре органических соединений, образующихся в камере подогрева скрапа и забираемых в виде избытков газов из контура рециркуляции, а также процесс рекуперации тепла, образующегося в процессе термокаталитического обезвреживания за счет сжигания использующегося в этом процессе природного газа с воздухом так, что это тепло передается воздуху, идущему на горение в дымовой реактор, а уж затем газы от процесса термокаталитического обезвреживания, охлажденные в результате процесса рекуперации, выбрасываются в атмосферу.
На фиг.1 представлен пример установки, реализующей данный способ подогрева металлического скрапа.
Установка, реализующая способ, содержит камеру подогрева скрапа 1, первый дымосос 2, первый и второй трубопроводы 3 и 4 соответственно, дымовой реактор 5, второй дымосос 6, третий и четвертый трубопроводы 7 и 8 соответственно, пятый трубопровод 9, напорный вентилятор 10, шестой трубопровод 11, термокаталитический реактор 12, теплообменник 13, седьмой трубопровод 14, восьмой трубопровод 15. Первый трубопровод 3 соединяет крышку камеры подогрева скрапа 1 со входом первого дымососа 2, второй трубопровод 4 соединяет выход первого дымососа 2 с первым входом дымового реактора 5, на второй вход которого подается природный газ, первый выход дымового реактора 5 подсоединен к нижней части камеры подогрева скрапа 1. Второй выход дымового реактора 5 пятым трубопроводом 9 соединен с первым входом термокаталитического реактора 12, на второй вход которого подается природный газ, а на третий - воздух на горение. Седьмой трубопровод 14 соединяет выход термокаталитического реактора 12 со входом канала пропуска дымовых газов теплообменника 13, третий трубопровод 7 соединяет выход канала пропуска дымовых газов теплообменника 13 со входом второго дымососа 6, с выхода которого дымовые газы поступают в четвертый трубопровод 8 для дальнейшей эвакуации. Выход напорного вентилятора 10 с помощью шестого трубопровода 11 соединяется со входом канала пропуска атмосферного воздуха теплообменника 13, причем атмосферный воздух поступает на вход напорного вентилятора 10. Выход канала пропуска атмосферного воздуха теплообменника 13 с помощью восьмого трубопровода 15 соединяется с третьим входом дымового реактора 5.
Установка работает следующим образом. Под действием первого дымососа 2 дымовые газы из первого выхода дымового реактора 5 просасываются снизу вверх сквозь металлический скрап, загруженный в камеру подогрева скрапа 1. Обогащенные парами воды и продуктами разложения органических соединений, содержащихся в скрапе, дымовые газы по первому и второму трубопроводам 3 и 4 соответственно возвращаются в дымовой реактор 5 через первый вход, образуя кольцо рециркуляции дымовых газов.
Для подогрева рециркулята дымовых газов до нужной температуры в дымовой реактор 5 через второй вход подается природный газ, который в дымовом реакторе 5 сгорает с воздухом, подающимся в дымовой реактор 5 через третий вход, и с продуктами разложения органических веществ, содержащихся в скрапе. Воздух на горение на третий вход дымового реактора 5 подается через восьмой трубопровод 15, в который он поступает из выхода канала пропуска атмосферного воздуха теплообменника 13, причем на вход канала пропуска атмосферного воздуха теплообменника 13 воздух подается напорным вентилятором 10. Воздух покидает теплообменник 13 подогретым, забрав часть тепла от эвакуируемых дымовых газов. Из второго выхода дымового реактора 5 часть дымовых газов, равная в количественном отношении газовоздушной смеси, поступающей в дымовой реактор 5 на горение, через пятый трубопровод 9 поступает на первый вход термокаталитического реактора 12, на второй и третий входы которого подаются газ и воздух на горение для обеспечения внутри термокаталитического реактора 12 температуры газов, гарантирующей обезвреживание содержащихся в них продуктов разложения органических соединений. Обезвреженные дымовые газы с выхода термокаталитического реактора 12 поступают через седьмой трубопровод 14 на вход канала пропуска дымовых газов теплообменника 13, замыкая кольцо рекуперации тепла в установке. С выхода канала пропуска дымовых газов теплообменника 13 охлажденные и обезвреженные дымовые газы через третий и четвертый трубопроводы 7 и 8 соответственно под действием второго дымососа 6 подаются на эвакуацию.
Сушка и нагрев лома с помощью дополнительного теплоносителя перед его загрузкой в печь дает значительную экономию электроэнергии в печи и сокращает время плавки, а также исключает возможность паровых взрывов.
Если в ломе имеется даже небольшое количество пластика, то при температурах выше 200°C он начинает гореть с выделением фенолов. Выбросы фенолов не удаляются обычными системами газоочистки сталеплавильных печей. Если нельзя полностью исключить наличие посторонних веществ в ломе, то необходимо ограничивать температуру нагрева 200°C. А это ограничивает экономический эффект от нагрева.
Необходимо что-то делать с отработанными газами после нагрева лома. Дожигание фенолов - это огромные затраты энергии на нагрев газов до температур, при которых эффективно идет дожигание.
Средний расход природного газа на нагрев лома до температуры Т за время Δt приведен в формуле (1), при выводе которой учитывалось численное значение удельной теплотворной способности природного газа:
<mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>n</mi><mi>r</mi><mn>0</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mn>100</mn><mfrac><mrow><msub><mi>M</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>c</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>T</mi><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>6</mn></msup><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mi>н</mi><msup><mi>м</mi><mn>3</mn></msup><mo>/</mo><mi>ч</mi><mi>а</mi><mi>с</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
r
Расход теплоносителя, потребного для нагрева скрапа до температуры Т и имеющего температуру Т, приведен в формуле (2):
<mrow><msub><mi>Q</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>n</mi><mi>r</mi><mn>0</mn></mrow></msub><mfrac><mi>r</mi><mrow><msub><mi>c</mi><mi>r</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>T</mi><mi>r</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где r - удельная теплотворной способности природного газа.
д
Отработанные газы откачиваются после обмена теплом с нагреваемым ломом, имея температуру, близкую к температуре окружающего воздуха. Поэтому расход природного газа на нагрев газов до температуры дожигания Т без применения катализа можно вычислить про формуле (3):
<mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>n</mi><mi>r</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>Q</mi><mn>0</mn></msub><mfrac><mrow><msub><mi>c</mi><mi>r</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>T</mi><mi>д</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>r</mi><mo>−</mo><msub><mi>c</mi><mi>r</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mn>10</mn><mi>α</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>T</mi><mi>д</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mi>н</mi><msup><mi>м</mi><mn>3</mn></msup><mo>/</mo><mi>ч</mi><mi>а</mi><mi>с</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Формула (3) приведена с учетом почти десятикратно большего расхода воздуха для сжигания определенного расхода природного газа в условиях стехиометрии и с учетом избытка воздуха, задаваемого коэффициентом α.
3
3
3
Если провести вычисления по формулам (1)-(3), то окажется, что для нагрева 60 т лома до 400°C за 30 мин необходим средний расход природного газа 630 нм/час. При этом расход теплоносителя с температурой 600°C - 28000 нм/час. Расход природного газа на нагрев отработанного теплоносителя для дожигания - 840 нм/час.
3
2
Получается, что нагрев отработанного теплоносителя для того, чтобы обеспечить дожигание, превышает на 33% расход газа на сам нагрев лома. Кроме того, для дожигания отработанного теплоносителя необходимо построить реактор, пропускная способность которого составляет 28000 нм/час, что при скорости газов в реакторе 0,2 м/с требует поперечного сечения 40 м. Размеры такого реактора превышают размеры самой установки сушки лома, а его стоимость многократно превышает стоимость этой установки.
Нагрев в корзинах с помощью отработанных печных газов ДСП предполагает однократную прокачку газов через емкость с ломом, поэтому там требуется такой же величины реактор.
Следует обратить внимание на то, что для получения теплоносителя с заданной температурой необходимо значительное разбавление продуктов сгорания холодным балластным газом. Так, для получения продуктов с температурой 600°C необходимо разбавить продукты стехиометрического горения природного газа в ~3 раза. В обычной схеме разбавителем служит окружающий воздух.
В то же время отработанный теплоноситель, отдавший тепло нагреваемому металлолому, имеет температуру, близкую к температуре окружающего воздуха, и прекрасно может служить разбавителем.
Предлагается при получении теплоносителя с заданной, сравнительно невысокой температурой использовать отработанный теплоноситель. Часть газов после разбавления необходимо удалять, в противном случае в замкнутом контуре постоянного объема происходило бы накопление массы газа, что невозможно. Объем удаляемого газа равен объему стехиометрических продуктов сгорания топлива:
<mrow><msubsup><mi>Q</mi><mn>0</mn><mo>*</mo></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>n</mi><mi>r</mi><mn>0</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mn>10</mn><mi>α</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
3
Количественно - 7245 нм/час, что в 4 раза меньше, чем 28000 нм/час из предыдущего примера.
Этот газ уже имеет температуру 600°C и готов для дожигания. Никакого дополнительного нагрева не требуется. Кроме того, его количество в ~4 раза меньше.
Таким образом, предлагаемый способ организации процесса сушки лома:
- безопасен экологически и с точки зрения охраны труда;
- приводит к экономии топлива приблизительно в ~2,3 раза;
- обеспечивает существенное уменьшение капитальных затрат на строительство термокаталитического реактора за счет сокращение его объема примерно в 4 раза.
В качестве катализатора в термокаталитическом реакторе используется обычный каолин. Известно, что развитая поверхность муллитсодержащего материала (патент РФ 2297273), разогретая до 400-500°C, прекрасно катализирует дожигание фенолов.
К дополнительной экономии капитальных затрат на строительство установки по данному способу приводит установка рециркуляционного дымососа в канал перекачки газов, образующихся в камере подогрева скрапа, в дымовой реактор, так эти газы имеют пониженную температуру и не требуют для своей прокачки высокотемпературного оборудования.
Достигаемый результат - снижение капитальных затрат и эксплуатационных расходов процесса подогрева металлического скрапа, улучшение охраны труда и окружающей среды.
В предложенном способе используются два неразрывно связанных друг с другом круговых процесса - рециркуляции дымовых газов и рекуперации их тепла, ни один из которых по отдельности не позволяет достичь заявленного достигаемого результата, причем термокаталитическое обезвреживание дымовых газов позволяет повысить полноту обезвреживания при понижении температуры процесса, а просасывание дымовых газов снизу вверх через камеру подогрева металлического скрапа полностью исключает возникновение паровых взрывов в этой камере.