В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от от 19 сентября 2014 года № 14.578.21.0049 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на
- По п.1.1 ПГ: проведен обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ.
- По п.1.2 ПГ: Проведен выбор и обоснование направления исследований, в том числе:
- По п.1.2.1 ПГ: Проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р
15.011-96. - По п.1.2.2 ПГ: Проведена сравнительная оценка эффективности возможных направлений исследований
- По п.1.2.3 ПГ: Разработаны варианты возможных решений задачи, выбран и обоснован оптимальный вариант решения.
- По п.1.2.4 ПГ: Сформирована база технологических данных по железосодержащим отходам металлургических предприятий.
- По п.1.2.5 ПГ: Проведен сравнительный анализ и систематизация железосодержащих отходов с точки зрения воздействия на окружающую среду, экологической опасности, возможности переработки имеющимися технологиями частичной переработки с извлечением отдельных элементов
- По п.1.2.6 ПГ: Выбраны железосодержащие отходы и неиспользуемые бедные железные руды для исследования и проведения моделирования.
- По п.1.2.7 ПГ: Исследованы процессы дожигания газов в надслоевом пространстве печи Ромелт.
- По п.1.2.8 ПГ: Исследовано применения пылеугольного топлива (ПУТ) в печи Ромелт, и проведена оценка экономической эффективности использования ПУТ для утилизации железосодержащих отходов и неиспользуемых бедных железных руд.
При этом были получены следующие результаты:
1) Подобрана литература, затрагивающая вопросы образования железосодержащих техногенных отходов и существующих методов их переработки. Проведена классификация отходов по их происхождению: при добыче и обогащении полезных ископаемых и при металлургическом переделе. Показаны основные источники железосодержащих отходов в черной металлургии: шламы и пыли доменного и сталеплавильного производств, шлаки, окалина прокатная и машины непрерывного литья заготовок. Отдельно выделены красные шламы глиноземного производства, как наиболее массовые и неиспользуемые отходы алюминиевой промышленности. Многие отходы, особенно содержащие тяжелые цветные металлы, серу, мышьяк, являются экологически опасными, чему способствует их высокая дисперсность и возможность распространяться на большие расстояния. Цветные металлы могут выщелачиваться из отходов и, тем самым, отравлять почву и воду. При этом часто отходы содержат железо и другие ценные элементы, в количествах, превышающих их содержание в исходном сырье. Поэтому отходы должны использоваться в качестве шихтовых материалов взамен истощающихся запасов качественных руд.
Однако, несмотря на существующие отдельные попытки использовать традиционные металлургические агрегаты для утилизации отходов, общее решение задачи пока не найдено. Удачные лабораторные эксперименты и даже промышленные испытания по переработке некоторых железосодержащих отходов, не могут заменить общую задачу ликвидации техногенных отходов горно-обогатительной и металлургической промышленности.
2) Проведен анализ подходов и способов к проблеме утилизации техногенных железосодержащих отходов горно-обогатительных и металлургических предприятий. Показано широкое разнообразие применяемых методов переработки отходов и извлечения ценных компонентов, что свидетельствует об отсутствии единой схемы их вовлечения в промышленное производство. Предложен наиболее общий метод, которому потенциально могут быть подвергнуты различные отходы переработка в жидкой шлаковой ванне с получением чугуна и шлака для строительной промышленности. Из возможных технологий выбрана отечественная технология Ромелт, как наиболее отвечающая поставленным задачам.
Выделены группы отходов по источнику образования в промышленности: отходы горно-обогатительных и агло-железорудных комбинатов, комбинатов черной металлургии, а в цветной металлургии — отходы глиноземного производства. Установлено, что отходы различных предприятий одной направленности значительно различаются по химическому составу, что не только затрудняет их переработку, но и оказывает большое влияние на экономику их утилизации. Для проведения дальнейших исследований выделены железосодержащие материалы, отвечающие всем выделенным группам отходов.
Проведен анализ железосодержащих отходов шести крупных металлургических комбинатов России с точки зрения их химических составов и ежегодным производством. Показано, что содержание железа в отходах обычно превышает его количество в исходных железных рудах. Однако в большинстве случаев отходы либо складируются, либо передаются строительным организациям без выделения ценных компонентов, что нерационально с точки зрения ресурсосбережения. Проведен анализ угольной базы Российской Федерации, в том числе по углям, наиболее пригодным для технологии Ромелт, как предлагаемого способа утилизации отходов. Показана неравномерность распространения углей по стране; более 80% все добычи угля сосредоточено в Кузнецком бассейне. Проведен анализ отходов горно-обогатительных предприятий России и запасов бедных неиспользуемых железных руд.
Показано, что экологическая опасность железосодержащих отходов определяется различными факторами (химическим составом и физическим состоянием), но не превышает III класса опасности согласно Федеральному Классификатору (для замасленной прокатной окалины). Однако, при наличии в отходах некоторых тяжелых цветных металлов, мышьяка требуется расчет класса экологической опасности согласно методикам Минприроды.
Проведено исследование процесса дожигания газов в надслоевом пространстве печи Ромелт. Показано влияние витающих частиц пылевидного угля на сдвиг реакции равновесия водяного газа, что приводит к уменьшению тепловыделения от использования кислорода верхних фурм. Рассчитаны возможные значения выноса пылевидных частиц при разных шихтовых нагрузках. Проведены расчеты состава газовой фазы, содержащей азот и серосодержащие компоненты в зависимости от степени дожигания и температуры в условиях термодинамического равновесия. При изучении гидродинамики жидкой шлаковой ванны показано, что свободная конвекция оказывает решающее влияние на перемешивание ванны печи с барботажным слоем. Генерируемые поля скоростей по абсолютному значению скорости во всех направлениях больше или равны максимальным значениям скоростей, генерируемых в ванне за счет механического взаимодействия с ней газовых пузырей и газожидкостных потоков. Установлена взаимосвязь между режимом продувки и особенностями кинематики и гидродинамики ванны с барботажным слоем. Показана нецелесообразность форсирования работы печи путем постепенного увеличения скорости подачи газа в слой в пределах пузырькового и переходного режимов продувки.
Показана перспективность рассеивания угля для печи Ромелт и вдувания пылевидной фракции через нижние фурмы. Подобран состав угля для вдувания и предложены возможные источники и месторождения угля. Сделаны расчеты по определению экономической эффективности при вдувании пылеугольного топлива в печь Ромелт.
3) Предложен новый способ переработки железосодержащих техногенных отходов различного вида на основе технологии Ромелт с получением жидкого чугуна и шлака для строительной промышленности. Выявлены новые закономерности при дожигании газов в надслоевом пространстве печи при наличии угольной пыли, и проведен расчет состава газов в отсутствие термодинамического равновесия.
4) Список использованных источников по обзору современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ, состоит из 30 наименований, в том числе 15 за период 2009 — 2014 гг. Патентные исследования по способам переработки отходов проведены по 70 источникам и выполнены в соответствии с ГОСТ
Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.
