Аппараты по сушке шламов. Окомкователи, установки по термоподготовке и брикетированию

СТАРООСКОЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(филиал) Федерального государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

"Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"

Реферат   

по дисциплине  

«Водошламовое хозяйство»

На тему: «Аппараты по сушке шламов. Окомкователи, установки по термоподготовке и брикетированию»

Выполнила:

студентка группы БТП-08-1д

Попова И.Н.

Проверила:

Блохина О.В.

Старый Оскол, 2010 г.

   Пыли и шламы металлургических производств перед утилизацией в большинстве случаев специально подготавливаются. Основными методами подготовки являются механическое обезвоживание, смешивание, термическая обработка и окускование. Механические методы окускования позволяют снизить влажность  шламов до 15-25 %. Дальнейшее уменьшение влажности шламов достигается  либо путем термического обезвоживания (сушкой, сгущение), либо химического. При сгущении шламов стремятся получить не только осадок достаточной плотности, но и возможно более чистый слив, что позволяет использовать последний в оборотном цикле и исключить потери твердого продукта.

  В процессах механического обезвоживания суспензии разделяют на жидкую и твердую фазы. Эти процессы можно разбить на две группы — осаждение и фильтрование. При осаждении консистенция суспензии такова, что среднее расстояние между частицами превышает их характерный размер. Под воздействием собственного веса взвешенные в жидкости частицы опускаются на дно аппарата, и таким образом происходит разделение твердой и жидкой составляющих. В других случаях разделение осуществляют с помощью сил центробежного поля. Частицы вначале выталкиваются ими к стенкам сосуда, а затем сгустившийся шлам оседает под действием разделения тяжести на дно.

  Для обезвоживания шламов применяют сгустители, классификаторы, вакуум-фильтры, фильтр-прессы и центрифуги. С помощью классификаторов из шлама выделяют сравнительно крупные фракции с размером частиц 0,25- 0,3 мм. Классификаторы разделяются на механические и спиральные. Наиболее употребительными являются спиральные. Шлам после классификатора зачастую дополнительно обезвоживают – обычно на ленточных вакуум-фильтрах, а слив обрабатывают в радиальных или других сгустителях.

  Обезвоживание шламов аглодоменного производства в отечественной практике, в случае достаточно сгущенной исходной пульпы преимущественно осуществляют в последовательно расположенных спиральных классификаторах и дисковых вакуум-фильтрах, а в случае относительно разжиженной пульпы – в цепочке аппаратов гидроциклоны – спиральные классификаторы – ленточный вакуум-фильтр. Добавка гидроциклонов позволяет уменьшить количество громоздких и дорогостоящих спиральных классификаторов в цепочке аппаратов. Высокодисперсные шламы газоочисток мартеновского, ферросплавного и электросталеплавильного производств обезвоживают, как правило, с помощью фильтр-прессов.

   Механические классификаторы  и  гидроциклоны.

Спиральные классификаторы характеризуются простотой конструкции, удобны в обслуживании, надежны в работе, отличаются высокой производительностью и низкой чувствительностью к колебаниям нагрузки. Обычно в них подают предварительно сгущенный шлам. Спиральный классификатор (рис. 1) представляет собой цилиндрический лоток 1, расположенный под углом 12 —18° к горизонтали, с вращающимися внутри него одной или двумя большей частью двухзаходными спиралями 2; шаг спиралей ненамного превышает половину их диаметра. Скорость их вращения обычно колеблется в пределах 1,5 20 об/мин. Спирали эти частично погружены в зону, занимаемую осадком суспензии, так что в процессе рабо­ты устройства они захватывают и транспортируют этот осадок в верхнюю часть лотка для выгрузки.

                                        Рис. 1. Спиральный классификатор

В свою очередь осветленная жидкость удаляется из ап­парата через высокий порог 3. Эффективность классифи­кации и производительность устройства зависят от ряда факторов, основными из которых являются дисперсный состав и плотность твердых частиц, концентрация твер­дой фазы в суспензии, а также число оборотов спиралей \ и угол наклона корыта.                                                  

   Для расчета механических классификаторов применя­ют известные аналитические зависимости либо ис­пользуют экспериментальные данные, полученные на действующих установках.

   При классификации железосодержащих шламов газо­очисток агломерационного, доменного и конвертерного производств по размеру граничного зерна, равному 0,25 - 0,3 мм, удельная нагрузка по исходной пульпе со­ставляет около 70 м3/ч из расчета на 1 м длины порога. Влажность твердой фазы при этом равняется 20 — 30% (по массе).

  Гидроциклоны применяются при классификации шлаков с крупностью частиц 3 — 150 мкм. Корпус аппарата (рис. 2) состоит из короткого цилиндра  и удлиненного

конического днища 2. Пульпа, подаваемая в цилиндрическую часть через патрубок 3, приобретает в ней интенсивное вращательное движение. Под воздействием центробежных сил твердые частицы движутся поперек потока направлении к стенкам аппарата, и наиболее крупные из них концентрируются в пристеночном слое потока. Затем эти частицы перемещаются вниз по спирали и выводятся в потока в виде сгущенного шлама через патрубок 4.

Рис 2. Гидроциклон

   Основная же масса суспензии, содержащая преимущественно мелкодисперсные частицы, вначале движется вниз, описывая вблизи стенки спираль, а затем по внутренней спирали поднимается вверх вдоль оси аппарата. Интенсивное вращение жидкости препятствует заполнению ею приосевой части аппарата, так что внутри него вдоль оси образуется цилиндрическая газовая полость. Осветленная жидкость, так называемый слив, удаляется из аппарата через патрубок 5, укрепленный на перегородке 6.

Работу гидроциклонов регулируют, изменяя насадки: при увеличении диаметра их выпускных отверстий уменьшаются как содержание твердой составляющей в сливе, так и размер граничного зерна разделения; кроме того, более разжиженным получается крупнозернистый продукт.

   Дуговые сита применяются для мокрой классификации шламов крупностью  от 0,04 до 10 мм.

   Дуговые сита отличаются простотой конструкции, высокой удельной производительностью и не требуют специального ухода, во время работы. Эффективность работы этих аппаратов достигает 90%. Они работоспособны в широком диапазоне изменения содержания твердого в пульпе: от 7 до 70% (по массе). Недостатком дуговых сит, однако, является быстрый износ их рабочей поверхности, особенно в процессе классификации абразивных пульп.

     Сгустители (отстойники). Для сгущения шламов изредка применяются обычные горизонтальные отстойники с периодической загрузкой и выгрузкой, а преимущественно — радиальные сгустители непрерывного действия, идентичные радиальным отстойникам.

   Радиальные сгустители пригодны для использования в цепи современных утилизационных установок непрерывного действия, тогда как горизонтальные отстойники,  применяемые еще на некоторых предприятиях, не отвечают этому требованию. Удельные нагрузки на сгустители могут быть значительно (в 3 — 4 раза) повышены при добавлении в пульпу флокулянтов.

   Метод расчета производительности сгустителей зависит от свойств поступающей на обработку пульпы. В случае разбавленных пульп с высокодисперсной твердой фазой, не содержащей склонных к коагуляции веществ, и характеризующихся отсутствием ясной линии раздела между продуктом и сливом расчет производится по скорости свободного выпадения уходящих зерен максимального размера.

   Вакуум-фильтры, применяемые для обезвоживания шламов, разбиваются на три группы: дисковые, барабан­ные и ленточные. Наиболее распространены первые, на­именее употребительны вторые.

Дисковый вакуум-фильтр (рис. 6) состоит из полого горизонтального вала с закрепленными на нем вертикально лисками 2. Полость вала 1 разбита на 12 изолиро-

Рис. 6. Дисковый вакуум-фильтр

ванных друг от друга одинаковых секций (каналов). Дис­ки 2 частично погружены в ванну 3 с фильтруемой суспен­зией. Каждый из них состоит из 12 разобщенных между собой полых секторов, оснащенных фильтровальными перегородками. Каждая полость сектора соединена с од­ним из каналов вала. К торцам вала примыкают рас­пределительные головки: камеры одной из них соединены с вакуум-насосом, а другой - с воздуходувкой.

   Каждый сектор после погружения в ванну сообщается с находящейся под вакуумом полостью распределительной головки. Под действием вакуума происходит отсасывание влаги через фильтровальную перегородку в полость сектора диска. При этом на ткани перегородки отлагается слой осадка. После того как сектор в результате вращения вала с дисками выходит из ванны, через фильтровальную ткань подсасывается теперь уже воздух, что приводит к подсушке осадка.

   Для каждого вида пульпы обычно подбирают соответствующую ей фильтровальную ткань. К этим тканям предъявляются следующие требования: малое сопротивление фильтрации, прочность, жесткость, температуростойкость, устойчивость против коррозии и легкость регенерации при удалении осадка в процессе продувки ее сжатым воздухом. В качестве фильтровальной ткани используют, например, капроновую ткань. Она недорога,  долговечна и хорошо очищается при продувке.              

   Принцип действия барабанного ячейкового вакуум-фильтра сходен с принципом работы дискового. Барабанный вакуум-фильтр отличается от дискового тем, что на полый горизонтальный вал вместо дисков насажен цилиндрический барабан с перфорированной поверхностью, который снаружи обтянут фильтровальной тканью. Внутренний объем барабана разделен перегородками на одинаковые ячейки, герметически изолированные друг от друга. Каждой из них принадлежит участок поверхности барабана, ограниченный двумя его образующими. При вращении барабана ячейки, подобно секторам диска, попеременно присоединяются то к напорной линии нагнетателя, то к линии, связанной с вакуум-насосом.

   Ленточные вакуум-фильтры используются преимущественно при обработке крупнозернистых, характеризующихся высокой скоростью осаждения твердого осадка шламов.

   Основными факторами, влияющими на производительность всех видов вакуум-фильтров, являются гранулометрический состав и форма твердых частиц, тип фильтровальной ткани, а также концентрация твердой составляющей в пульпе, толщина осадка и перепад давления в зоне обезвоживания.

  Чем крупнее частицы пульпы, тем лучше отделяется фильтрат, т. е. быстрее протекает процесс. Тонкодисперсный осадок отличается плохой проницаемостью и, кроме того, плохо отделяется от ткани.

    Фильтр-прессы используют преимущественно для обезвоживания шламов, содержащих тонкодисперсные частицы. Процесс фильтрования протекает под действием перепада давлений на фильтрующей перегородке, создаваемого либо путем подачи сжатого воздуха в полость над поверхностью жидкости, либо за счет гидростатичес­кого давления, создаваемого насосом.

Осадок, полученный в фильтр-прессах, по сравнению с осадком вакуум-фильтров отличается меньшей влажностью.

  На качестве работы фильтр-прессов в меньшей степени, чем вакуум-фильтров,  сказывается колебание дисперсного состава твердой фазы в пульпе; это позволяет стабильнее выдерживать влажность осадка, что важно для последующей его утилизации. Они обеспечивают также более низкую влажность осадка и большую чистоту фильтрата.     Кроме того, скорость фильтрования в фильтр-прессах в 3 и более раз выше, чем в ваку­ум-фильтрах. Это обусловлено главным образом выделением в вакуум-фильтрах в условиях фильтрования под ваакуумом пузырьков растворенного в жидкости воздуха. Последние   же   частично   собираются   в   порах   осадка и фильтровальной ткани, что приводит к уменьшению площади живого сечения пор фильтрующего слоя, а это в свою очередь снижает расход жидкости через слой.

   Преимуществом фильтр-прессов является также возможность оперативного регулирования продолжительности отдельных операций их цикла при перестройке работы аппаратов в зависимости от концентрации твердой составляющей в обрабатываемом шламе. Кроме того, в этих аппаратах может быть достигнута меньшая влажность осадка за счет увеличения времени просушки, что не достигается в других видах фильтров.  

  В центрифугах для осуществления процесса разделения шлама используется центробежная сила. Так как в этом случае ее поле по величине значительно превышает силы тяжести, то процесс фильтрования в центрифугах протекает существенно быстрее, чем в отстойниках.  Осадительное центрифугирование производят в барабанах. Процесс состоит из двух фаз: движение частиц к стенкам барабана и уплотнения накопившегося на них осадка.

   Аппараты по сушке шламов. Оптимальная влажность железосодержащих шламов при утилизации их агломерационном производстве со-

ставляет 6 — 8%. Такая величина большей частью не достигается в процессе механического обезвоживания высокодисперсных шламов газоочисток. Например, при использовании фильтр-прессов влажность не опускается ниже 17-20 %. Поэтому для её дальнейшего снижения требуется подвергать шламы термической сушке.

  На металлургических предприятиях чаще всего применяется конвективная сушка, в процессе которой со шламом контактирует сушильный агент – обычно топочный газ.

  Наиболее распространенным сушильным аппаратом является барабанная сушилка (рис. 13). Она состоит из цилиндрического барабана 4, опирающегося посредством бандажей 3 на ролики 11 и приводимого во вращение электродвигателем через зубчатую передачу 10.                                      

   В последние годы разрабатывается иной метод термической сушки шлама, а именно сушка его в кипящем слое при температуре 300 — 350 °С. Предварительные исследования показывают, что по своим технико-экономическим характеристикам последний способ превосходит процесс в барабанных сушилках.

   Другим способом обезвоживания шламов является смешивание их с негашеной известью. Процесс связан с обильным выделением тепла при гашении извести влагой шламов, которое приводит к частичному испарению жидкости из шламов. Получающийся в результате этого процесса сыпучий материал, содержащий такие компоненты, как оксиды железа и кальция, является полезным сырьем для агломерационных фабрик.

  Смесители применяют в черной металлургии в основном для перемешивания материалов между собой и со связывающими добавками; они разделяются на лопастные  и  барабанные.   Лопастные  смесители  выполняют в двух модификациях — одно- и двухвальные. Одноваль-ный смеситель состоит из следующих частей: корыта, в которое загружают смешиваемые материалы; расположенного над ним вала с закрепленными на последнем (перпендикулярно его оси) лопастями, которые в процессе работы попеременно погружаются в корыто и переме-шивают материалы; приводного механизма вращейия вала. Двухвальный смеситель отличается от описанного наличием двух валов с лопастями.                                  

   В барабанном смесителе материалы загружают в барабан, в котором параллельно его оси с эксцентриситетом установлен вал с лопастями; перемешивание материалов осуществляют путем одновременного вращения как самого барабана, так и вала с лопастями.

Окомкователи, установки по термоподготовке и брикетированию.

В процессах утилизации пыли готовят два вида окатышей: обожженные и безобжиговые.

   При получении обожженных окатышей пыль вначале окомковывают, а затем полученные окатыши сушат и подвергают термической обработке. Процесс окомкования увлажненных  пылей основывается на способности их при перекатывании образовывать шаровые либо близ-кие к ним по форме гранулы: имеющиеся в пыли мелкие комочки (зародышевые зерна) при перекатывании обволакиваются новыми слоями (оболочками), и в результате образуются окатыши. Процесс связан с убылью поверхностной энергии насыпной массы в процессе перекатывания. В процессе сушки горячие газы с температурой 250 —400 °С просасывают через слой окатышей. Сырые окатыши содержат внутри в капиллярах воду в свободном виде и адсорбционно связанную, а также воду в составе кристаллогидратов и гидратов. Адсорбци-онно связанная вода полностью удаляется лишь при температуре 103 — 130 °С, вода кристаллогидратов >200 °С. Скорость протекания процесса сушки зависит как от температуры, так и от скорости движения газа-теплоносителя через слой окатышей. При контакте сырого окатыша с горячим газом первый покрывается «паровой рубашкой», которая затрудняет дальнейший их контакт. Чтобы процесс сушки протекал в турбулентном режиме, когда осуществляется интенсивное удаление пара с поверхности материала, требуется наличие высоких скоростей газа в каналах между окатышами. Однако в первую минуту от начала процесса испарения эта скорость ограничена явлением разреза окатышей под воздействием пара, образующегося в капиллярах (избыточное давление пара в них может достигать 26 — 33 кПа). Поэтому скорость газа обычно не должна превышать 10 — 30 м/с, причем эта величина зависит от структуры материала окатышей. Продолжительность процесса сушки, обычно равная 20 — 40 мин и более, для разных видов окатышей различна, причем чем меньше частицы исходной пыли, из которой изготовлены окатыши, а значит, и тоньше капилляры в окатышах, тем длительнее процесс сушки. Как отмечалось, в шихту окатышей зачастую добавляют бентонит, состоящий из очень мелких частиц и благодаря этому повышающий термическую прочность высушенных окатышей; он создает ячеистую структуру, сохраняющуюся при испарении воды. Однако, бентонит повышает концентрацию адсорбционно связанной воды, а с ней и продолжительность процесса сушки. Так, при добавке в шихту 5 % (по массе) бентонита продолжительность конвективной сушки возрастает более чем в 3 раза.

    Интенсивность процесса сушки окатышей в слое падает в направлении движения газового потока вследствие понижения его температуры. При этом окатыши, расположенные внутри и в конце слоя, могут не высушивать­ся, а наоборот, переувлажняются, поглощая влагу, выделившуюся в предыдущих горизонтах. Для устранения этого явления и связанного с ним расплющивания переув­лажненных окатышей газ-теплоноситель обычно на пер­вом этапе (в течение 60 — 70% продолжительности про­цесса) продувают через слой снизу вверх, а в оставшийся период — в обратную сторону; при таком способе веде­ния процесса повышается также прочность сухих окаты­шей. Заметим, что в процессе сушки, во-первых, проис­ходит уменьшение объема окатышей на 1 — 3%, во-вто­рых, содержащееся в них железо доокисляется: магнетит переходит в гематит. Этот процесс начинается при тем­пературе выше 200 °С и за время сушки высушивается третья часть массы окатышей. Такой переход положите­льно сказывается на последующем обжиге, так как при замене магнетита гематитом повышается скорость спека­ния материала окатышей. Добавим, что сухие безобжиго­вые окатыши должны выдерживать пять сбрасываний с высоты 20 см и раздавливающее усилие в 136 Н, а ока­тыши, предназначенные для последующей термической обработки, 36 Н.

Упрочнение окатышей продолжается и в процессе об­жига, который осуществляют при температуре 1200—1300 °С. Получающиеся при этом окатыши выдер­живают усилие на сжатие, равное 2 — 3,5 кН.

   Окомкование влажной пыли производят в барабан­ных или чашевых окомкователях. Если шихта нестабиль­на по составу и влажности, то предпочтение отдают первым. В барабанном окомкователе шихта движется под воздействием силы тяжести вдоль оси барабана (ци­линдра) от одного его конца к другому, что обеспечивает­ся наклоном оси барабана к горизонтали, равным 4 — 6°. Перекатывание материала по цилиндру происходит за счет его вращения; угловая скорость обычно равна 7 — 11 об/мин.

   Чашевые окомкователи имеют форму чаши, ось которой наклонена к вертикали на 40 — 60 град. Диаметр чаши обычно равен 5 — 6, высота борта (цилиндра) 0,8 м. Чаша вращается вокруг своей оси с угловой скоростью 6 — 8 об/мин. При этом материал пересыпается по цилиндру и днищу чаши, в результате чего формируются окатыши.

   Термообработку окатышей преимущественно осуществляют на конвейерных обжиговых машинах, а также в шахтных печах и в комбинированных установках, где сочетаются  движущаяся колошниковая решетка, трубчатая печь и кольцевой охладитель.

   Конвейерная обжиговая машина содержит обжиговые тележки, на которые загружают окатыши, привод и рельсовый путь для движения тележек, разгрузочное устройство, газовоздушные камеры и укрытие. Обработка сырых окатышей производится продуктами сжигания топлива — природного газа или мазута (удельный расход тепла 10 — 50 — 1260 МДж/т), охлаждение  — атмосферным воздухом. Скорость движения обжиговых тележек регулируется в зависимости от материала окатышей и их влажности от 0,5 до 6,7 м/мин.

      В некоторых случаях из пыли изготавливают брикеты путем ее прессования. Брикетирование — это процесс прессования рыхлых и пылевидных материалов в куски — брикеты, одинаковые по размерам, массе и форме. Измельченную руду, увлажненную до 8—10% или с добавкой различных вяжущих веществ, прессуют в брикеты, которые затем сушат и спекают. Способ брикетирования обладает рядом недостатков, основными из которых являются низкая производительность установок для брикетирования и пониженное содержание железа в брикетах в результате добавок к руде связующих компонентов.

Процесс ведут как без применения связующих, так и с их использованием. В качестве добавок служат: сульфитно-спиртовая барда, известь, жидкое стекло, цементит, каменноугольные пеки и смолы (отходы   коксохимического производства). При брикетировании без добавок шихту нагревают до 450 — 550 °С и прессуют в горячем состоянии, при наличии добавок нагрев не производят. В качестве прессового оборудования используют различные установки: валковые, рычажные и другие прессы.

   Валковый пресс состоит из питателя и двух параллельно расположенных валков, на которые надеты ячеистые бандажи. При вращении валков с противоположно направленными угловыми скоростями в ячейках из поступающего сверху материала формируются брикеты. В рычажном прессе брикет формуют в полости между двумя подвижными поршнями.

   Существуют наиболее перспективные аппараты подготовки шламов к утилизации. К группе аппаратов по обезвоживанию шламов относятся разработанные в нашей стране радиальные отстойники с камерой флокуляции, а также открытые гидроциклоны. При обработке сточных вод положительно зарекомендовали себя также процессы тонкослойного отстаивания, магнитной и электрической коагуляции и т. д. К усовершенствованной смесительной технике следует отнести противоточные смесители интенсивного действия, обеспечивающие высокую эффективность смешивания; они удобны в обслуживании и к ним легок доступ в процессе ремонтов. Более интенсивное перемешивание позволяет уменьшить массу добавки связующего — бентонита, жидкого стекла, извести, целлюлозной связки, отходов коксохимического производства и пр. Перспективным является также применение дозирующих конвейерных весов непрерывного действия в сочетании с вычислительной техникой.

Следует также подчеркнуть, что исследования, косвенно связанные с вопросами утилизации шламов, а именно исследования в области стабилизации оборотной воды, направлены на ликвидацию отложений в водопроводах и на борьбу с их коррозией: перспективным в этом отношении является применение синтезированных высокомолекулярных соединений, позволяющих вести процесс стабилизации состава воды путем использования неболь­ших доз реактивов в автоматическом режиме их подачи.

   Список литературы:

1.      Утилизация вторичных материальных ресурсов в металлургии: Учебное пособие для вузов/Черепанов К.А., Черныш Г.И..- М.:Металлургия, 1994.224 с.

2.      Утилизация пылей и шламов в черной металлургии. Толочко А.И., Славин В.И. Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение, 1990.-152 с.