» » Отвальные шлаки
03.06.2015

Металлургические шлаки как материал нашли применение еще четыре века назад.
В XVI веке из богатых железом шлаков отливали пушечные ядра, в XVIII веке начали использовать шлак для строительных целей. В середине XIX века стал известен способ мокрой грануляции огненно-жидкого шлака, при которой шлак приобретает ценные гидравлические свойства; несколько позднее применили воздушную грануляцию шлака. Примерно в то же время доменный шлак стали добавлять к портланд-цементу, улучшая качество последнего, а с начала XX столетия шлак применяют при изготовлении бетонных изделий, с середины XIX века дробленый шлак используется в качестве балласта для железных дорог и дорожного строительства. Более 100 лет назад освоено получение шлаковой ваты, и вот уже 35 лет известен способ получения пористого шлака — хороших теплоизоляционных материалов.
В настоящее время шлаки доменных печей применяются в цементной промышленности, в производстве стройматериалов и теплоизоляции, 13 дорожном строительстве, горном деле, железнодорожном строительстве, строительстве зданий, сельском хозяйстве, коммунальном хозяйстве и для лечебных целей (вода грануляционных бассейнов). В США используется более 75%, в ГДР 65%, в России 60% всех выпущенных доменных шлаков.
Шлаки цветной металлургии в отдельных случаях также нашли применение. Так, например, на медеплавильных заводах в Мансфельде (ГДР) изготовляется в год 70 млн. штук шлакового камня (весом по 10 кг), что обеспечивает покрытие дороги длиной 300 км и шириной 6 м. Шлак отражательных медеплавильных печей, как и доменный шлак, нашел у нас практическое применение для крепления горных выработок: на рудниках им. III Интернационала и других для этой цели широко применяются камни, отлитые из металлургических шлаков (табл. 1).
Отвальные шлаки

С начала двадцатого столетия начались попытки утилизации тепла шлаков. В черной металлургии России это направление не получило пока еще широкого распространения, главным образом из-за периодичности выпуска шлаков, относительно небольшой доли потерь тепла с ними но сравнению со шлаками цветной металлургии (табл. 2), а также из-за наличия других, более рентабельных вторичных энергоресурсов. Но на двух заводах цветной металлургии России тепло отвальных шлаков медного и никелевого производства уже несколько лет используется в теплофикационных целях.
Отвальные шлаки

Существующие схемы использования тепла металлургических и энергетических шлаков основываются на одном из трех видов грануляции их: а) мокрой — с помощью воды, б) сухой или полусухой — с помощью воздуха с небольшими добавками воды и в) контактной — при соприкосновении шлака с подвижной охлаждающей поверхностью. Отсюда возможность нагрева низкотемпературного теплоносителя — воды или высокотемпературного —воздуха, пара и воды.
Первыми предложенными, и как более поздними, и получившими практическое значение, были утилизационные установки, основанные на мокрой грануляции шлака водой.
Отвальные шлаки

В опытных установках в Англии и Германии (1912—1915 гг.) тепло доменных шлаков утилизировалось получением пара низкого давления за счет грануляции жидкого шлака в герметизированном (рис. 1) и не герметизированном (рис. 2) закрытых сосудах. В первой установке мощностью 500 квт расход шлака на выработку электроэнергии составил приблизительно 32 кг на 1 квт*ч; во второй — в полтора раза меньше. Установки оказались нерентабельными главным образом из-за агрессивного действия сернистых соединений, содержащихся в доменных шлаках.
Отвальные шлаки

Опыты продувания жидкого шлака струей воздуха и использования получаемой газо-воздушной смеси в котле-утилизаторе также не дали положительных результатов: получение пара становилось нерентабельным вследствие слишком большой затраты энергии на продувку воздуха через слой шлака; кроме того, этот способ позволял использовать только узкий температурный перепад перегрева шлака.
На опытной установке комбината «Южуралникель» (рис. 3) П.К. Аксютиным использован принцип контактной грануляции. Расплавленный шлак из печи попадает через приемник в шлаковый резервуар, в котором на полом валу вращается тонкостенный барабан. На барабан навиты змеевиковые трубки, залитые снаружи для улучшения теплопередачи металлом. Вода подводится к валу барабана, проходит по змеевикам и выходит с другого конца вала в виде паро-водяной эмульсии. Последняя, попадая в барабан, охлаждает его и одновременно разделяется на пар и воду. Далее пар направляют потребителю, а вода поступает в циркуляционную систему и возвращается в установку. Образующуюся на поверхностях барабана шлаковую корку снимают специальными шлакоснимателями. Установка не получила практического значения в первую очередь из-за тяжелых температурных условий работы барабана — теплоотъемника, погруженного на 1/3 диаметра в шлаковую ванну.
Отвальные шлаки

Практическую завершенность получили утилизационные установки комбината «Печенганикель» и Красноуральского медеплавильного завода, основанные на принципе мокрой грануляции шлака. В обоих установках тепло отвальных шлаков используется для получения горячей воды, т. е. наиболее простым путем. Установки успешно эксплуатируются соответственно с 1952 и 1955 гг.
В установке комбината «Печенганикель» (автор Н.Ф. Исаков, рис. 4) шлак, выходящий из электропечи с температурой -1300°, попадает на грануляционном желобе в полую конусообразную струю воды, движущуюся со скоростью 10—15 м/сек, и далее вместе с нагревшейся водой поступает в приемник гранулята. В нижней части этого приемника расположен специальный конус, направляющий охлажденный гранулированный шлак к находящемуся внутри приемника гидроэлеватору, транспортирующему шлак в отвал. Вода, нагретая в приемнике гранулята до 100°, переливается в камеру отстоя мелких частиц шлака и затем поступает в цистерну-аккумулятор, представляющую собой водо-водяной поверхностный теплообменник. Последний состоит из медных трубок диаметром 20/17 мм и имеет поверхность нагрева (в каждой цистерне) 220 м2. В теплообменнике грануляционная вода отдает свое тепло теплофикационной воде, нагревая последнюю приблизительно до 95°. Теплофикационную волу направляют в сеть к потребителям; обратно она возвращается с температурой -70°.
Отвальные шлаки

Тепловая мощность установки первоначально составляла 4,5*10в6 ккал/час. Согласно расчетам, она могла использовать приблизительно 85% тепла, уносимого шлаком; практически к. п. д, ее не превышал 60%, но после осуществления теплоизоляции аккумуляторов (1955 г.) был поднят до 77%. В 1956 г. с вводом третьего аккумулятора мощность установки была доведена до 8*10в5 ккал/час.
Утилизационная установка комбината «Печенганикель» покрывает всю отопительную нагрузку комбината и дает около 1 млн. руб. годовой экономии за счет сокращения расхода угля с 3700 т до 150—200 г, необходимых на периоды ремонтов электропечей; существующие котлы находятся в горячем резерве, питаясь избытком горячей воды.
К серьезным недостаткам установки следует отнести сильную коррозию и истирание отдельных ее элементов.
Утилизационная установка Красноуральского медеплавильного завода (автор И.И. Суровоз и др., рис. 5) отличается от описанной выше главным образом устройством приемника гранулята, который не имеет гидроэлеватора: гранулированный шлак попадает в обычный отстойник, откуда его грейферным крапом перегружают в гондолы и транспортируют в отвал, а грануляционная вода по подземной бетонной трубе попадает во второй отстойник, предназначенный для оседания мелких частиц шлака, затем в насосный зумпф и оттуда перекачивается тремя вертикальными насосами в теплообменник с поверхностью нагрева 470 м2. Тепловая мощность установки около 12*10в6 ккал/час; к. п. д. около 66%. Теплофикационная вода, количество которой составляет для одного теплообменника 120 м3/час, имеет на выходе из теплообменника температуру 75° и на входе 45°.
Отвальные шлаки

Установка в Красноуральске не лишена недостатков, свойственных утилизационной установке комбината «Печенганикель»; вместе с тем в ней удачно использована существующая система грануляции шлака, что просто решило вопрос дальнейшей транспортировки его в отвал с помощью существующих грейферных кранов.
Освоенные отечественные утилизационные установки просты в конструктивном отношении, и обслуживание их не представляет трудностей.
В энергетической промышленности Чехословакии практическое значение получила установка по использованию отбросанного тепла котельных топок с жидким шлакоудалением конструкции Р. Долежаля. Установка эта (рис. 6) также работает по принципу мокрой грануляции шлака и отчасти напоминает опытную установку Янсона, описанную выше.
Вытекающий из топки жидкий шлак разбивается на мелкие частицы водой, поступающей из испарителя с температурой 88°, и в виде гранул попадает в резервуар с коническим дном, а нагретая до 93° грануляционная вода возвращается в испаритель.
В испарителе поддерживают пониженное давление, обуславливающее кипение воды при 88°; соответственно вода, поступающая с температурой 93°, закипает и охлаждается до 88°. Пар и газы из испарителя поступают в теплообменник, где отдают свое тепло воде, питающей паровой котел Е-2,5-0,9 ГМ, а конденсат с помощью циркуляционного насоса возвращается в испаритель.
Отвальные шлаки

Утилизационная установка работает в котельной с паропроизводительностью котлов 220 т пара в час при давлении 120 ат и рассчитана на количество шлака, содержащее 1*10в6 ккал/час. Установка становится экономичной в том случае, если потеря тепла со шлаком превышает в тепловом балансе 0,5% от низшей калорийности топлива.
Мокрая грануляция допускает получение пара низкого давления для выработки электроэнергии или отопительных целен; но получение пара повышенных давлений в этих условиях затруднительно, поскольку оно требует подачи расплавленного и удаления гранулированного шлака при емкостях, находящихся под давлением. В этом отношении имеют преимущество и заслуживают производственной проверки схемы использования тепла отвальных шлаков, предложенные В.Д. Пашковым и Н.А. Семененко и основанные: первая — на полусухой грануляции, а вторая — на сухой грануляции шлака. В обеих схемах теплоноситель (соответственно паро-воздушная смесь и воздух) обладает высоким температурным потенциалом, что определяет возможность достижения лучшего энергетического к. п. д., чем при мокрой грануляции и давлении пара, не превышающем атмосферного.
Схема В.Д. Пашкова (рис. 7) основана на применении полусухой грануляции шлаков, т. е. на распылении расплавленного шлака струей сжатого воздуха с добавкой небольшого количества воды. Гранулированный шлак, падая вниз, отдает тепло идущему навстречу воздуху и охлаждается до 200—250°. Смесь нагретого воздуха с водяными парами (температура 600—650°) проходит котел-утилизатор и металлический экономайзер, находящиеся под давлением 19 ата, где охлаждается до 250°. Дальнейшее охлаждение до 80—100° и конденсация сернистых паров осуществляется в керамическом атмосферном испарителе, откуда газы, пройдя дымосос, возвращаются в гранулятор.
Произведенные расчеты показывают, что количество получаемого пара должно составить 240 кг/т шлака при параметрах 19 ата и 360° и дополнительно 124 кг/г шлака давлением 1 ата. Это обеспечивает получение электроэнергии от пара высокого давления 42,7 квт*ч/т шлака и от пара низкого давления 11,1 квт*ч/т шлака, а всего 53,8 квт*ч/т шлака, в том числе 4 квт-ч/т шлака на удовлетворение нужд установки.
Схема Н.А. Семененко (рис. 8) предусматривает сухую грануляцию шлака (без введения воды) при противотоке шлака и воздуха. Так же как и в схеме В.Д. Пашкова, здесь в качестве теплоносителя применен воздух, который по расчетам может быть нагрет до 1000—1100°. Горячий воздух, попадая в котел змеевикового типа высокого давления с принудительной циркуляцией, передает тепло воде и выходит из котла охлажденным до температуры 200—250°.
По данным Н.А. Семененко, использование тепла шлака в интервале от 1300 до 200° позволит получить до 500 кг пара в час или около 100 квт*ч электроэнергии на тонну шлака.
Основная трудность практического внедрения этих двух схем, особенно второй — конструктивное разрешение узла грануляции шлака.
Отвальные шлаки

В приведенных выше схемах отвальный шлак рассматривался только как источник тепла. Между тем очевидно, что энергетическое использование должно осуществляться не само по себе, а в неразрывной взаимосвязи с технологическим использованием. В общем случае первым этапом такой энерго-технической схемы должно быть доизвлечение металлов, содержащихся в шлаке, вторым и третьим этапами — использование тепла, содержащегося в шлаке, и использование самого отвального шлака для различных целей. Очевидно, что в зависимости от химического состава и физических свойств шлака, количества уносимого им тепла, непрерывности или периодичности выпуска и т. д. отдельные звенья этой схемы могут отпадать.
В ряде случаев, например при некоторых способах производства пенистого шлака и шлаковой ваты (рис. 9, 10), выделяется сравнительно большое количество тепла, использование которого может повысить общую эффективность процессов. Тогда же, когда грануляция предшествует утилизации шлака — самый способ грануляции может в значительной степени влиять на свойства затвердевшего шлака. Так, например, сухая грануляция доменного шлака при медленном его охлаждении обесценивает шлак как сырье для цементной промышленности. Правда, стоимость пара, получаемого при утилизации тепла шлаков, и в этом случае на 30% ниже, чем при специально отапливаемых котлах, но при использовании шлаков для производства цемента пар должен обходиться в несколько раз дешевле.
В свете важнейшей задачи повышения производительности печей цветной металлургии представляется особо перспективным энерго-технологическое использование шлаков с получением горячего дутья и шлака для строительных и других целей.
В настоящее время над проблемой утилизации тепла энергетических и технологических шлаков работает ряд организаций, в том числе Всесоюзный теплотехнический институт им. Дзержинского, Московский энергетический институт, институты «Гинцветмет», «Гипроникель» и другие.
Отвальные шлаки