Научный журнал

Научное обозрение. Технические науки

ISSN 2500-0799

ПИ №ФС77-57440

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Клышбекова Ж.Е. 1 Досмухамедов Н.К. 1

---

1 Казахский национальный исследовательский технический университет имени К.И. Сатпаева

Аннотация. Утилизация отходящих газов на предприятиях цветной металлургии проводится с использованием старых технологий, направленных на получение серной кислоты. Такие технологии оправдывают себя при дальнейшем использовании «крепких» газов, с высоким содержанием SO2, таких как газы автогенных процессов и конвертирования. Переработка бедных газов восстановительных процессов требует значительных материальных затрат и усложняет технологию производства серной кислоты. В настоящей работе рассмотрена возможность использования раздельной утилизации отходящих газов с использованием нового способа химической абсорбции карбонатным расплавом щелочных металлов с дальнейшей регенерацией карбонатно-сульфатного расплава с получением богатых по SO2 газов, пригодных для производства серной кислоты. На основании металлургических расчетов материального баланса электроплавки сульфидных медных концентратов, применительно к условиям Жезказганского медеплавильного завода (ЖМЗ), показана возможность глубокой очистки бедных по SO2 газов путем химической их абсорбции карбонатным расплавом щелочных металлов. Установлено, что при использовании данной технологии до ~97?% SO2 улавливается карбонатным расплавом. Интеграция данного способа для производства серной кислоты, при имеющемся специальном оборудовании и технологической схемы на ЖМЗ, без особых усилий и затрат позволит значительно упростить процесс утилизации бедных по содержанию SO2 газов и повысить технолого-экономические показатели сернокислотного цеха. Исследования проводились в рамках грантового финансирования Комитета науки Министерства науки и высшего образования Республики Казахстан на 2023–2025 годы по приоритетному направлению «Геология, добыча и переработка минерального и углеводородного сырья, новые материалы, технологии, безопасные изделия и конструкции» проекта AP19676951: «Разработка ресурсосберегающей, комбинированной технологии комплексной переработки многокомпонентной пыли цветной металлургии с получением товарных продуктов».

Статья в формате PDF

661 KB

электроплавка

материальный баланс

отходящие газы

очистка от SO2

химическая абсорбция

регенерация

серная кислота

1.Путилов В.Я. Экология энергетики. М.: МЭИ, 2003. 715 с.

2.Tikhonov V.A., Slabodenyuk I.V., Zolkin A.L., Chistyakov M.S. Physico-chemical features of the process of cleaning of chloride-containing exhaust gases of metallurgical productions // Bulletin of higher educational institutions North Caucasus region Technical sciences. 2021. № 3 (211). P. 54–59.

3.Zolkin A.L., Kolesnikov A.S., Bityutskiy A., Saradzheva O.V., Stepina I.V. Study of the efficiency of gas purification systems for metallurgical productions // Journal of Physics Conference Series. 2022. № 2388 (1). Р. 012139. DOI: 10.1088/1742-6596/2388/1/012139.

4.Lyubomirsky I., Kaplan V. Apparatus and Method for Removing Sulfur Dioxide from Flue Gases. US Patent. 2014. No. 8852540.

5.Kaplan V., Wachtel E., Lubomirsky I. Carbonate melt regeneration for efficient capture of SO2 from coal combustion // The Royal Society of Chemistry Advances. 2013. Vol. 3, No. 36. Р. 15842–15849.

6. Kaplan V., Wachtel E., Dosmukhamedov N., Lubomirsky I. Carbonate melt-based flue gas desulphurisation: Material balance and economic advantage // International Journal of Oil, Gas and Coal Technology. 2018. Vol. 18, Is. 1–2. P. 25–38. DOI: 10.1504/IJOGCT.2018.091528.

7. Lee J., Ahn Y., Cho H., Kim J. Economic performance assessment of elemental sulfur recovery with carbonate melt desulfurization process // Process Safety and Environmental Protection. 2022. Vol. 158. P. 123–133.

8. Dosmukhamedov N., Kaplan V. Flue gas purification from SO2 and NOx using molten mixture of alkali metal carbonates // International Journal of Coal Preparation and Utilization. 2021. DOI: 10.1080/19392699.2021.1931147.

Анализ современного состояния качества окружающей среды по регионам республики показывает, что наибольшее количество вредных веществ от стационарных источников выбрасывают предприятия цветной металлургии– 29 %, второе место занимает теплоэнергетика– 23 %, черная металлургия– 17 %, нефтегазовая промышленность– 10 %, прочие, включая горнодобывающую промышленность– 20 %. Из всего количества источников выбросов загрязняющих веществ (152820 ед.) очистными сооружениями оборудовано всего 11590 источников (около 10 %).

Критическая ситуация по загрязнению окружающей среды отходящими газами обусловлена в первую очередь повышенным содержанием в них сернистого ангидрида. Существующие методы очистки отходящих газов [1–3] уже не справляются с поставленной задачей. Положение усугубляется и тем, что сильно меняется качество первичного сырья, запускаются новые технологии для переработки техногенного вторичного сырья. В результате увеличиваются объемы отходящих газов с низким содержанием сернистого ангидрида, которые не утилизируются и напрямую выбрасываются в атмосферу. Следует утверждать, что в ближайшее время наступит «коллапс» как в части производства серной кислоты, так и в вопросе очистки отходящих газов от сернистого ангидрида.

К одному из примеров можно отнести производство меди на Жезказганском медеплавильном заводе (ЖМЗ), где в силу низкого содержания сернистого газа электропечей практически снижена производительность сернокислотного производства. Такую картину в настоящее время можно увидеть на многих предприятиях цветной металлургии постсоветского пространства. Особую актуальность решение данного вопроса приобретает на тех предприятиях, где в процессе производства получаются отходящие газы с низким содержанием сернистого газа, непригодного для производства серной кислоты. В таких случаях, как отмечалось выше, газы выбрасываются в атмосферу без каких-либо дополнительных мер по их утилизации. Из вышеизложенного следует, что изыскание новых технологий, направленных на очистку отходящих газов от SO2, представляет актуальную задачу и требует принятия срочных мер.

Положительные результаты исследований зарубежных ученых [4–6] по очистке газов от SO2 с использованием расплава, состоящего из эвтектической смеси карбоната калия, натрия и лития показывают перспективность направления. Невысокая температура эвтектики (~500°С) позволяет практически полностью, до 97 %, адсорбировать сернистый ангидрид при пропускании отходящих газов через расплав [7, 8]. Использование данной технологии для очистки отходящих газов бедных по содержанию SO2, получаемых при переработке различного вида сырья цветной металлургии, представляет большой интерес и требует совершенствования.

На ЖМЗ отходящие газы после электропечи содержат мало SO2 (1,5–3 %) и после разбавления их с крепкими газами конвертирования направляются на производство серной кислоты. Такая схема производства кислоты сопровождается большими затратами и усложняет общую технологическую схему производства серной кислоты. Температура отходящих газов из электропечи достаточно высока и составляет ~450°С. Отходящие газы, выбрасываемые в атмосферу, содержат ~2 % SO2.

Решение поставленной задачи усугубляется и тем, что в настоящее время завод испытывает определенные трудности со сбытом серной кислоты. Это может вызвать серьезные последствия с точки зрения охраны окружающей среды. Также это нанесет значительный ущерб и здоровью людей.

Цель настоящей работы– на основании металлургических расчетов выявить истинный объем и состав отходящих газов электроплавки сульфидных медных концентратов и провести оценку возможности очистки отходящих газов от SO2 с использованием способа химической абсорбции серосодержащих компонентов эвтектическим расплавом карбонатов щелочных металлов.

В проведенном исследовании последовательно решены следующие задачи: рассчитан материальный баланс электроплавки сульфидных медных концентратов; изучено распределение металлов и серы между продуктами плавки; определены объемы и состав отходящих газов; определены оптимальные параметры очистки отходящих газов при использовании способа его пропускания через эвтектический расплав карбонатов, необходимые для осуществления глубокой очистки газов от серосодержащих компонентов (SO2, SO3 и др.)

Материалы и методы исследования

Основной использованный в работе методологический принцип– подход к анализу процесса электроплавки сульфидных медных концентратов с определением истинных значений материальных потоков и составов получаемых продуктов. Ключевым ядром исследований является расчет материального и теплового баланса процесса с использованием новой методики, обеспечивающей надежный расчет количественных соотношений формирующихся фаз: шлака, штейна и газовой фазы в зависимости от состава и количества исходных материалов. Технологические расчеты проведены с учетом заводских данных.

Результаты исследования и их обсуждение

Работа электропечи на ЖМЗ осуществляется от трех трансформаторов, мощностью 17000 кВА каждый. Рабочая мощность печи– до 35 мВт. Производительность печи по твердой шихте– 50 т/ч. При электроплавке используются самообжигающиеся электроды диаметром 1200–1400 мм.

В табл. 1 показан химический состав продуктов, формирующих шихту электроплавки.

Анализ технологических показателей электропечи за месячный период работы печи показал, что получаемые продукты по содержанию основных металлов и шлаковых компонентов варьируют незначительно и сохраняют постоянство. Это свидетельствует о стабильности режима работы печи, что обеспечивает постоянство состава отходящих газов и содержания в них SO2.

Содержание серы в получаемых штейнах варьирует в незначительных пределах от 22 до 25 %, и они содержат, % (мас.): 38–52 Cu, 9–22 Fe, до 11 Pb, 3,5 Zn и 0,04–0,085 As.

В составе шлака концентрируются, % мас.: до 0,5 Cu, 0,3–1,2 Pb и 0,1–0,13 As. Отличительной особенностью является высокое содержание цинка в шлаке до 10 %.

Таблица 1

Химический состав продуктов плавки

Рис. 1. Материальный баланс потоков электроплавки

Рис. 2. Распределение металлов между исходными продуктами электроплавки

На основании статистической обработки массива ежесуточных данных химических составов реальных штейнов и шлаков рассчитан материальный баланс потоков и установлено распределение металлов между исходными продуктами электроплавки. Результаты проведенных расчетов показаны на рис. 1, 2.

При электроплавке образуется незначительный выход пылегазовой смеси ~7 %.

После очистки от пыли отходящие газы содержат ~2–3 % SO2.

Перевод электропечных газов в трубу осуществляется при достижении температуры газа 178 °С и ниже.

В процессе электроплавки объем газа, выходящего из печи, составляет ~18–25 тыс. нм3/час. Расчетный состав отходящих газов электропечи показан в табл. 2.

Технологические расчеты по очистке газов электропечи от SO2 с использованием карбонатной эвтектики

Исходные данные для расчета (табл. 3) выбраны исходя из теоретических основ процесса абсорбции сернистого ангидрида из отходящих газов.

Результаты материального баланса химической абсорбции отходящих газов карбонатным расплавом приведены в табл. 4.

Необходимое количество карбонатной эвтектики для максимального улавливания SO2 из отходящих газов составляет ~138 т. При осуществлении процесса очистки газов содержание SO2 в отходящих газах снижается с 2,1 до 0,02 %. Извлечение серы в карбонатный расплав– 97 %. Отходящие газы, полученные после очистки от SO2, выбрасываются в атмосферу. Установленное значение серы в газах полностью удовлетворяет международным нормам, предъявляемым к глубокой очистке отходящих газов.

Таблица 2

Состав отходящих газов электропечи

Таблица 3

Исходные данные, использованные для расчета

Таблица 4

Материальный баланс процесса химической абсорбции газов электропечи карбонатным расплавом щелочных металлов

Таким образом, проведенные расчеты показывают возможность глубокой очистки отходящих газов электропечи от сернистого ангидрида. Применение технологии позволит существенно оздоровить экологическую обстановку региона, создать благоприятные условия для работы сернокислотного производства завода за счет вывода газов электропечи на самостоятельную утилизацию. Это позволит не разбавлять получаемые после электроплавки бедные по содержанию SO2 газы с «крепкими» газами конвертерного передела, что обеспечит более стабильный технологический режим сернокислотного цеха и высокую его производительность по выпуску серной кислоты.

Рассмотренная в работе технология очистки отходящих газов электропечи нетребует больших затрат на приобретение специального оборудования, которое вполне может быть изготовлено силами предприятия. Расходы реагентов, как показывают расчеты, незначительные, а их низкая стоимость (стоимость карбонатов ~30000 $ США за тонну) не повысит существенно затраты предприятия.

С технологической точки зрения отметим, что высокие температуры отходящих газов электропечи (~700ºС) могут быть использованы в качестве топлива дляподдержания эвтектической температуры карбонатного расплава. Это намного снизит материальные затраты при очистке отходящих газов от SO2.

Предложенное в настоящей работе решение по очистке отходящих газов электропечи от SO2, при имеющемся на ЖМЗ специальном оборудовании для производства серной кислоты, легко может быть интегрировано в действующую технологическую схему, что положительно повлияет на улучшение окружающей среды в регионе и здоровья населения.

Заключение

На основании полученных результатов показана возможность глубокой очистки бедных по SO2 газов, применительно к условиям Жезказганского медеплавильного завода, путем химической их абсорбции карбонатным расплавом щелочных металлов. Установлено, что при использовании данной технологии до ~97 % SO2 улавливается карбонатным расплавом.

Библиографическая ссылка