Технико-экономические предпосылки модернизации
Раздел 4. Современное состояние и пути модернизации существующих процессов.
Лекция 12. Технико-экономические предпосылки модернизации
Вопрос. 1. Топливно-энергетические эквивалент процесса.
Можно ли считать АП полностью автогеннными и не требующими затрат внешних толивно-энергетичеких ресурсов? Сульфидные медные концентраты относятся к низкоэнергетическим видам топлива (Qнр = 68.4-89.0 кг у.т.], и для их переработки в аппаратах АП необходим подогрев дутья, или его обогащение кислородом, что в свою очередь, требует определенных затрат энергоресурсов. Необходимо также учитывать дополнительные расходы топлива, связанные с производством кислорода, обеднением шлаков, шихтоподготовку и пр. Поэтому при технико-экономической оценке различных технологий, наиболее объективные данные могут быть получены на основе топливного эквивалента пирометаллургического процесса (ТЭП), в котором учитываются общие энергозатраты. В табл. 5.14 приведены результаты расчетов, выполненных зпо формуле:
ТЭП = Т + Э + ∑P - П, (6.3).
где: Т - тепло от сжигания топлива; Э - эквивалент электроэнергии;
∑ - сумма эквивалентов основных ресурсов (кислород, воздух);
П - полезное использование вторичных топливно-энергетических ресурсов.
В энергозатратах учтены также расходы энергии на обеднение шлаков, необходимые для большинства АП и шихтоподготовку.
Рекомендуемые материалы
Таблица 1
Анализ показателей некоторых процессов производства меди
| Процессы | Удельная производите- льность, т/м2сут | Общие энергозатр. кДж/т меди |
| Электроплавка подсушенной шихты Отражательная плавка: а) сырой шихты б) огарка Взвешенная плавка: а) подогретый воздух (1000 oС) и об. О2 26-28 % б) то же (200 оС и 40-70 % О2) Кислородно-взвешенная плавка (95-99 %О2) Hоранда на дутье: а) холодный воздух б) 30-35 % О2 Мицубиси до 40% О2 на плавке Кислородно-факельная плавка (95 % О2) Плавка в печах Ванюкова (50-75 % О2): а) без сушки шихты б) с сушкой | 3-10 4-6 6-8 7-10 8-12 12,8 10-12 10-12 19 6-12 50-80 - | 28.2 21.5 18.1 17.9 14.2 11.5 24.6 14.3 16.2 15.6 10.9 13.3 |
Из табл.1 следует, что наибольшие значения ТЭП характерны для электроплавки и переработки шихт в отражательных печах, однако абсолютная экономия энергоресурсов при замене, например, ОП на КФП составляет практически одинаковую величину. Сопоставимые значения энергозатрат получены также и для ОП огарка (18.1 кДж/т ) и ВП по варианту "а" (17.9кДж/т). Процесс Норанда на холодном воздушном дутье имеет даже более высокие энергозатраты (24.6 кДж/т), чем ОП. Поэтому решение проблемы замены отражательной плавки автогенными процессами требует тщательного предварительного технико-экономического обоснования, учитывающего значительные капитальные затраты на строительство комплекса АП, очистных сооружений, сернокислотное производство, существующее финансовое положение предприятий и сроки пуска нового объекта. Вариант полного технического перевооружения медеплавильного производства должен также предполагать сохранение существующей технологической инфроструктуры производства.
По-видимому, данные обстоятельства послужили основанием, что в мировой практике основных производителей меди (Япония, США, Чили, ФРГ и др.) замечена тенденция реконструкции существующих пламенных печей и создания на их основе высокоэффективных и производительных агрегатов. Характерной особенностью переработки сульфидного сырья в модернизированных агрегатах является частичное использование принципов автогенной плавки и применение кислорода.
Вопрос 2. Характеристика шахтной плавки.
В металлургии меди до конца промышленного освоения флотационного способа обогащения шахтная плавка являлась единственным вариантом плавки медных руд. К несомненными достоинствам процесса следует отнести высокую удельную производительность (45-120 т/(м2*сут), высокий коэффициент использования тепла (до 70%), высокую степень десульфуризации (50-95%) и незначительный расход огнеупоров в связи с применением кессонированных стенок. В зависимости от состава газов в печи различают восстановительную и окислительную шахтную плавку. Восстановительная плавка частично сохраняет свое значение для переработки вторичного медьсодержащего сырья с получением черной меди (Производство полиметаллов ОАО «Уралэлектромедь», г. Кировград). При этом часть летучих составляющих шихты отгоняется с газами и в последующем извлекается в системе тонкой очистки газов. Среди разновидностей окислительной шахтной плавки (после закрытия в конце 80-х г.г. на медногорском медно-серном комбинате (ММСК) медно-серной плавки) в основном используется полупиритная шахтная плавка.
Использование дутья, обогащенного кислородом, позволило существенно повысить технико-экономические показатели полупиритной плавки и перевести ее в новую категорию - автогенных шахтных процессов (АШП). Основанием для разработки нового процесса послужил выбор оптимального варианта реконструкции ММСК, перерабатывающего пиритные руды Южного Урала, запасы которых были практически исчерпаны. В этой связи возникла необходимость поиска эффективного способа плавки сульфидных концентратов, вторичного медьсодержащего сырья, клинкера и пр. медьсодержащих материалов в шахтных печах с последующей утилизацией газов в сернокислотном производстве.
Вопрос.3. Схема процессса АШП
Состоит из шахтной печи с поперечным сечением в области фурм 1.0 м2 и системы пылеулавливания, включающей осадительную камеру, электрофильтр и конденсатор серы (рис. 5.1). Печь высотой от лещади до колошника 6.7 м имела футерованный внутренний горн с сифонным выпуском расплава в наружный горн-отстойник емкостью 4.9 м3. Нижняя часть печи (3.0 м) кессонирована, верхняя (4.5 м) - футерована шамотным и теплоизоляционным кирпичом. Герметичность загрузки достигалась использованием двухконусного загрузочного аппарата. Два ряда фурм обеспечивали подачу дутья, один из которых (верхний), установленный на высоте 0.6 м от нижнего, предназначался для ввода природного газа в восстановительную зону печи с целью восстановления сернистого ангидрида. Сопоставимый анализ технико-экономических показателей различных вариантов плавки приведен в табл. 2.
Таблица 2
Сравнительные показатели различных видов шахтной плавки
| Показатели | Возуш ное дутье | Дутье, обогащенное кислородом | |||
| Автогенная плавка на штейн | Плавка с восстановлением SO2 | ||||
| бедный | богатый | коксом | пр. газом | ||
| Содержание кислорода, %, об Расход кокса к массе руды, % Расход природного газа, м3/т Удельный проплав, т/(м2 ∙сут): руды………………….. шихты………………… Содержание меди, %: в руде………………… в штейне……………... в шлаке………………. Содержание серы в руде, %... Степень десульфуризации, % Извлечение элементной серы, % Состав отходящих газов, %, об: SO2…………………….. H2S……………………. COS…………………… CO2……………………. CO……………………... O2……………………… | 21 10.1 0 38.2 48.5 3.0 11.0 - 40.6 70.4 48.8 2.7 1.1 0.8 - - - | 30 0 0 43.6 70.5 1.9 16.3 - 46.1 90.5 41.7 23.3 0.1 0.2 4.6 0.2 1.9 | 31.3 0 0 46.4 71.1 2.1 37.6 - 49.2 94.1 42.0 22.4 0.2 0.1 5.5 0.2 1.9 | 28 10 0 42.0 63.9 2.0 27.4 - 45.3 92.6 65.9 8.9 0.3 2.2 13.3 1.8 1.8 | 30 0 64 45.3 69.5 2.32 30.1 0.35 47.6 92.8 57.7 11.6 1.3 1.4 9.5 1.6 2.0 |
Из данных табл. 2. следует, что на дутье, обогащенном кислородом, возможна автогенная бескоксовая плавка при степени десульфуризации 94.1% и получении богатых штейнов (37.6% Cu). В автогенном режиме извлечение элементной серы снижается с 49 до 42% при увеличении концентрации SO2 в газах с 2.7 до 22%. В ходе внутришахтного восстановления извлечение элементной серы повышается с 49 до 58-66%, концентрация SO2 снижается до 8-10%. На основе длительных промышленных испытаний авторы работы формулируют вывод о возможности плавки высокосернистой руды на дутье, обогащенном кислородом до 28-32%, при содержании меди в штейне 20-30% и в шлаке - 0.25-0.35%. Во всех режимах плавки образуются отходящие газы, пригодные для производства серной кислоты, удельный проплав по сравнению с воздушным дутье повышается на 10-20%.
После ввода в эксплуатацию на ММСК (1986 г.) кислородной станции производительностью 5300 м3/ч основную часть сульфидного сырья перерабатывали в печах бывшей сократительной плавки (1987 г.) на обогащенном кислороде дутье методом АШП по технологической схеме (рис.1); технико-экономические результаты для переработки различных видов сырья приведены в табл. 3.
|
|
Рис. 1. Схема технологии по АШП
Таблица 3
Технико-экономические показатели АШП различных видов сырья
| Показатели | Кусковая руда | Брикеты | ||||
| медная | медно- цинковая | серно- колчеданная | Из медных концентратов | Из медно- цинковых концентратов | Из медно- цинко вого пром-продукта | |
| Содержание в руде (брикетах), %: Cu………… Zn………… S………….. О2 в дутье, % об в штейне, %: Cu………… Zn………… в шлаке: Cu………… Zn………… Степень десульсуль фуризации, %. Извлечение элемент. S, % То же при восст. палавке, % Конц-ция SO2 в отх. газах, % То же при восст. палавке, % Удельный проплав, т/(м2·сут): руды (брикетов)… шихты…………… | 2.3 1.4 47.6 30.0 30.1 1.2 0.33 1.31 92.8 40-42 57-65 22-24 8-12 43-45 68-70 | 3.6 7.0 43.7 32.0 24.0 3.5 0.28 5.5 88.0 40-42 - 23-25 - 57-59 82-84 | 0.59 - 50.3 32.0 8.4 - 0.1-0.2 - 95.0 43-45 - 22-24 - 58-62 85-88 | 14.4 4.4 39.0 25.0 49.8 2.8 0.41 4.2 76.3 25-30 - 14-15 - 50-52 73-75 | 7.2 13.2 37.5 32.5 45.8 5.4 0.52 9.3 86.9 25-30 - 17-21 - 59-61 92-94 | 12.0 10.3 36.4 36.0 46.6 5.1 0.55 7.50 80.3 25-30 - 20-25 - 60-62 97-100 |
Показано, что благодаря высокой степени сокращения при АШП возможно получение штейнов, пригодных для конвертирования в одну стадию (20-30% Cu), вместо двухстадийного на воздушном дутье. Содержание SO2 при внутрипечном восстановлении и без него составляет 8-12 и 22-24%, соответственно. Отвальные шлаки содержат незначительное количество магнетита (менее 3-5%), что объясняется специфичными условиями окисления сульфидов в шахтной печи на кварце, когда постоянный контакт с SiO2 предотвращает возможность переокисления Fe2+ до Fe3+.
При брикетировании шихты был учтен опыт работы заводов «Легница» и «Глогув 1» ( Польша), а также Мансфельдского комбината (Германия), применявших валковые прессы высокого давления и сульфит-целлюлозный щелок в качестве связующего. Брикетирование мелкой шихты проводили также с использованием гидросиликатной технологии. Внедрение АШП на ММСК позволило осуществлять плавку 85-90 % первичного сульфидного сырья в сократительных печах, предназначенных для переработки твердого штейна.
В среднем состав шихты плавки был следующий, % масс.: брикеты из мелкой руды, концентратов и клинкера 54.5; кусковая руда 25.3; штейн от плавки брикетированного клинкера, кусковой руды и рядовых брикетов, полученный в печах рудного передела на воздушном дутье 13.5; окатыши из концентратов 6.7 .
В 2002 г. на ОАО ММСК проведена замена кокса доменного класса брикетированной мелкой фракцией нефтекокса и крупнокусковым нефтекоксом. В результате удельный расход топлива уменьшился с 33.4 до 29.6 кг нефтекокса на т шихты. Итоги производственной деятельности комбината при частичной замене кокса крупным нефтекоксом и брикетированной мелочью в 2002 г., а также состав газовой фазы приведены в табл. 4.
Таблица 4
Показатели работы передела АШП
| Показатели | Период | |
| Работа на коксе (2001 г.) | Частичная замена кокса (2002 г.) | |
| Проплав шихты на печах, т Расход топлива, т в т.ч. кокс крупный нефтекокс брикеты нефтекокса Состав газов, %: О2. СО СО2. СOS SO2 | 470934 15734 15734 - - 7.9 1.3 11.2 0.5 7.6 | 482416 14266 4904 6648 2714 8.81 1.56 12.42 0.18 9.62 |
Из данных табл. 4. следует, что частичная замена топлива нефтекоксом не оказала заметного влияния на состав отходящих газов, хотя сопровождается снижением общего расхода топлива на плавку и некоторым увеличением производительности процесса. Брикеты мелкой фракции нефтекокса имели влажность 5-6.5%, прочность на сбрасывание после часовой выдержки 20 раз (при норме 10) и прочность на раздавливание 25-30 кг/см2 (при норме 20 кг/см2)
Химический состав штейна и шлака (% масс.) сохранился на уровне 2001-ного года: штейн - 29.6 Cu, 44.2 Fe, 24.9 S, шлак - 0.34 Cu, 35.9 Fe, 31.5 SiO2, 7.7 CaO. Температура отходящих газов и штейнового расплава составляла 400-680 и 1150оС, соответственно. Объем дутья и количество кислорода, а также цветность серной кислоты не изменилась. Годовой экономический эффект в 2002 году составил более 6 млн. руб. [ 8].
Шахтная плавка в настоящее время используются на трех уральских предприятиях (ОАО «Медногорский медно-серный комбинат»; ЗАО «Карабашмедь»; Производство полиметаллов ОАО «Уралэлектромедь» г. Кировград), где перерабатывают разнообразное по характеру комплексное сырье (состав частично приведен в табл. 5.1, 5.4, 5.5). В связи с ограниченностью поставок рудного сырья в шихту плавок входит также вторичное медьсодержащее сырье и основным продуктом, получаемым в шахтных печах, является медный штейн (состав - в табл. 2.1).
Несмотря на наличие кислородных станций, в существующем варианте шахтная плавка не является автогенным процессом, осуществляется в режиме, близком к полупиритной плавке и сопровождается сравнительно высоким расходом углеродсодержащего топлива (кокс, нефтекокс, клинкер). Причиной этого являются низкая механическая стойкость брикетов, невозможность увеличения содержания кислорода в дутье (т.к. в этом случае возрастает тепловая нагрузка на кессоны), недоработанность схемы утилизации тепла отходящих газов. Система загрузки и пылеулавливания не герметична и с учетом значительных подсосов отходящие газы разубоживаются и характеризуются более низкой концентрацией SO2 (7-9% об), чем в атмосфере печи. Не постоянный гранулометрический состав шихты приводит к возрастанию пылевыноса и появлению продувов, что вызывает необходимость сокращать расход дутья и уменьшать производительность.
Вместе с тем АШП в полной мере отвечает требованиям, предъявляемым к современным процессам (высокая производительность, комплексность использования сырья, минимальный расход топливно-энергетических ресурсов, возможность оперативного управления режимами плавки и обеспечение охраны окружающей среды).
Необходимо отметить, что аппаратурную основу АШП составляет наиболее совершенный в теплотехническом отношении агрегат с многолетним опытом эксплуатации. Характеристика печей и технико-экономические показатели плавки уральских предприятий приведены в таблице 5
| Показатели | Предприятия | ||
| ЗАО «Карабашмедь» | ППМ ОАО«Уралэлеткромедь» | ОАО ММСК» | |
| Высота печи от фундамента, м. Высота печи от фундамента до колошника, м Длина печи, м. Площадь сечения в области фурм, м2 Уд. производительность по шихте, т/(м2сут) Объем переднего горна, м3 Количество фурм, шт. Количество кессонов, шт. Расход дутья, тыс. м3/ч Содержание O2 в дутье, % об. Давление дутья, МПа . Температура дутья, оС Температура отходящих газов, оС Расход топлива, кг/т шихты: кокс нефтекокс Состав шихты, %: смесь медесодержащая отходы вторцветмета оборотный шлак известняк кварцит Уровень загрузки печи, м Степень десульфуризации , % Степень сокращения Извлечение меди в штейн, % Система очистки газов Пылевынос, % от массы шихты: в циклон (грубые пыли) в УРФ(возгоны) Содержание SO2 в отх. газах, % об. | 13.5; 3.5;13.5 6.0; 6.0;6.0 11.4; .64;11.4 15.0; 3.0;15.5 37-45 110; 90; 75 73; 61;72 76; 72;76 20.0-35.0 до 27.0 0.015-0.025 300-400 250-450 89-100 - 50-62 5-10 21-25 7-10 10-15 1.5-2.5 65 3.3-5.0 90.0 циклоны; уст. мокрой очистки «Болиден»; труба | 13.5 5.6 6.065 8.35 50-65 15 26 60 30-35 - 0.015-0.025 300-400 400-800 47-50 38-40 47 10 31 7 5 2.0-2.5 - 3-3.5 95.0 циклон; рукавные фильтры; труба 6.0 4.0 0.1 | 9.4 8.0 10 12.0 58-67 15 21 73 14-151) до 33 0.018 до 50 400-680 10.16 19.4 37.5-38.5 - 37.5-38.5 5-7.8 15-20 2.0-2.5 65-70 4-5 91-93 пыл. камеры: циклоны; В лекции "21 Регулирование скорости изменением числа пар полюсов" также много полезной информации. электроф. труба 1-2 - - до 6.5 |
