Методика расчета количества и состава выбросов от горения твердого топлива в спекаемом слое агломерационной шихты. Методические указания к самостоятел

3028

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра металлургии

Г.В. КОРШИКОВ, Н.А. БОБЫЛЁВА

МЕТОДИКА РАСЧЕТА КОЛИЧЕСТВА И СОСТАВА ВЫБРОСОВ

ОТ ГОРЕНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В СПЕКАЕМОМ СЛОЕ

АГЛОМЕРАЦИОННОЙ ШИХТЫ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к самостоятельной работе и практическим занятиям

по дисциплине «Экологические проблемы металлургического производства»

Липецк Липецкий государственный технический университет

2013

1

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Г.В. КОРШИКОВ, Н.А. БОБЫЛЁВА

МЕТОДИКА РАСЧЕТА КОЛИЧЕСТВА И СОСТАВА ВЫБРОСОВ

ОТ ГОРЕНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В СПЕКАЕМОМ СЛОЕ

АГЛОМЕРАЦИОННОЙ ШИХТЫ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к самостоятельной работе и практическим занятиям

по дисциплине «Экологические проблемы металлургического

производства»

Липецк «Липецкий государственный технический университет»

2013

2

УДК 669.162.1(075.8)

К704

Рецензент – доц., к.т.н. Бянкин И.Г.

К704Коршиков, Г.В.

Методика расчета количества и состава выбросов от горения твердого топлива в спекаемом слое агломерационной шихты [Текст]: методические указания к самостоятельной работе и практическим занятия по дисциплине: «Экологические проблемы черной металлургии»./ Г.В. Коршиков, Н.А. Бобылёва. – Липецк: Изд-во ЛГТУ, 2013. – 46 с.

Изложены технические характеристики горючих ископаемых и общие сведения об их элементном составе. Приведены химические реакции горения основных компонентов горючей части топлива и характеристики продуктов их горения. Изложена методика расчета количества и состава продуктов горения твердого топлива в спекаемом слое агломерационной шихты и методика оценки их водействия на окружающую среду.

Предназначены для студентов, обучающихся на всех уровнях профессиональной подготовки, а также инженерам и техникам в практической деятельности.

Табл. 11. Библиогр.: 16 назв.

ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет», 2013

3

1.ТОПЛИВО И ЕГО СВОЙСТВА

1.1. Общая характеристика топлива

Топливо - вещество, выделяющее энергию в результате тех или иных преобразований, которая может быть технически использована. По принципу освобождения энергии различают два вида топлива: ядерное и химическое.

Последнее выделяет энергию в результате окисления горючих элементов,

входящих в состав этого топлива.

Основные разновидности природного топлива: древесина, торф, бурый уголь, каменный уголь, антрацит, сланец, нефть, природный газ.

Используемое на металлургических заводах топливо подразделяется на

технологическое и энергетическое. К технологическому относят топливо,

которое используют в технологических процессах: в доменных печах,

мартенах, конвертерах, на агломерационных и обжиговых машинах и т.п.

Основным технологическим топливом является кокс, а также природный газ,

мазут, уголь. К энергетическому относят топливо, используемое для получения физического тепла.

Все виды топлив относятся к невозобновляемым энергетическим

ресурсам, входящим в число важнейших факторов жизнеобеспечения

человека на Земле.

Использование топлива сопряжено с усилением антропогенного влияния на биосферу: во-первых, при добыче топлива выводятся из использования в сельском хозяйстве большие площади земли и происходит их загрязнение промышленными отходами; во-вторых, при сжигании топлива из атмосферы забирается кислород, а выбрасывается с дымом CO2, CO, CH, NO, No2, сажа,

частицы угля и золы, соединения серы и другие вредные элементы и

соединения.

Наиболее важной технической характеристикой топлива является его

состав, который служит исходной информацией для анализа процессов горения

4

в промышленных установках. Состав топлива выражают результатами элементного и технического анализов.

Элементный анализ включает определение С, H, О, N и Sорг. (табл. 1).

Для технических прикладных расчетов используют техническую характеристику топлива, которая выражает содержание влаги, золы, серы,

летучих веществ, а для нефти еще и фракционный состав.

Черная металлургия – одна из наиболее энергоемких отраслей промышленности. На 1т готовой продукции (проката) расходуется примерно

1,5 т условного топлива (Qнр=29,31 МДж/кг). По основным этапам металлургического производства это потребление (%) распределяется следующим образом:

1.Агломерационное производство…….7.

2.Коксохимическое производство…….6.

3.Доменное производство…………….50.

4.Сталеплавильное производство…......7.

5.Прокатное производство……………10.

6.Энергетическое хозяйство………….15.

7.Прочие потребители …………………5.

Анализ деятельности предприятий черной металлургии России на основе

составления баланса углерода позволяет выявить различные характеристики

5

энергоэффективности производств и действительные выбросы оксидов

углерода в атмосферу (Ю.С. Юсфин, Л.И. Леонтьев и П.И. Черноусов.

Промышленность и окружающая среда. 2002.):

1. Суммарный расход углерода на производство 1 т железа в виде прока-

та (от момента извлечения сырья из недр до выхода проката с территории предприятия, включая добычу энергоисточников, производство и передачу энергии, и транспорт сырых материалов) на предприятии полного цикла для условий Европейской части России составляет от 1300 до 1700 кг.

2. Суммарный расход углерода на производство 1 т железа в виде кон-

центрата на ГОКах Центра России составляет 220 270 кг.

3.От 4 до 7% углерода теряется в виде шламов, выбросов пыли и т.п.

4.Расход углерода на выработку электроэнергии, необходимой для функционирования всего металлургического комплекса предприятия полного цикла, составляет не менее 35% общего прихода углерода.

5.Выбросы диоксида углерода – “основного парникового газа” — для металлургических предприятий полного и неполного циклов составляют

80-87% общего расхода углерода, а для ГОКов - 95 98%. При общем объеме производства проката в России около 35 млн т в год выбросы СО2 пред-

приятиями черной металлургии составляют примерно 45 50 млн т углерода в год, или около 8,5% общего количества выбросов в России. Если оценить выбросы собственно металлургических предприятий без учета внешних энергозатрат (транспорт, производство и передача энергии и др.), эта величина снижается до 6-6,5%.

6

1.2. Влажность топлива

Технический анализ производится с пробами топлива, доведенными до воздушно-сухого состояния. Такое состояние топлива называют

аналитическим, а параметры в обозначении имеют индекс «а», например Wа -

влажность топлива в аналитическом состоянии. Величина Wа обозначает количество гигроскопической воды в топливе. Количество этой воды определяют высушиванием пробы при 105 0С до постоянной массы.

1.3. Выход летучих веществ

Летучие вещества - это паро- и газообразные продукты, выделяющиеся при разложении органического вещества твердых горючих ископаемых при нагревании без доступа воздуха до 850 оС.

Для количественных оценок параметров горения топлива важно знать не только выход летучих, но и их состав. Количество летучих и их состав определяются химической природой и структурой топлива. О составе летучих можно судить по составу газообразных продуктов полукоксования различных видов топлив, приведенных в табл. 2.

Таблица 2

Состав газообразных продуктов полукоксования различных видов топлив

7

1.4. Содержание золы

Зола - это остаток после прокаливания топлива в муфеле при температуре 850 25 С. На 95 – 97% зола состоит из оксидов Al, Si, Fe, Cа,

Мg, Nа, К. Самой большой группой минеральных компонентов являются гли-

нистые составляющие. Их количество достигает 60 80%.

1.5.Содержание серы

Вуглях содержание серы колеблется от долей до 10%. Различают

следующие формы серы: сульфатную- SSO4 , пиритную ( cульфидную ) – SП,

органическую - Sо, и элементарную – SЭ. Суммарное содержание всех форм серы называют общей серой и условно пересчитывают на элементную, %

Наибольшее количество серы приходится на органическую и пиритную формы серы. Меньше всего сульфатной серы.

При сгорании углей форма серы, способная взаимодействовать с кислородом, называется горючей; сульфатная сера относится к негорючей.

1.6. Горючая часть топлива

Горючую часть топлива рассчитывают как разность:

GГ.м.=100 – (Wа + Аа), (1.2)

где GГ.м – содержание горючей массы, равной количеству органической массы,

%;

Аа – содержание золы в топливе при влажности Wа, %.

Для металлургов–доменщиков важное значение имеет содержание углерода нелетучего (это тот углерод, который доходит до горна доменной печи). Его количество рассчитывают по формуле, %:

8

1.7. Теплота сгорания

Теплота сгорания – это важнейшая теплотехническая характеристика топлива, отражающая количество тепла, которое выделяется при сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива, или 1 м3 газообразного. Различают высшую и низшую теплоту сгорания.

Высшая теплота сгорания ( QВ Р ) вычисляется по теплоте сгорания в калориметрической бомбе ( Qб ) с учетом кислотообразования. Формулы для вычисления высшей теплоты сгорания ( кДж/кг или кДж/м3 ) имеют вид:

1) при сгорании каменных и бурых углей:

где 94000Sб – теплота, выделяющаяся при окислении продуктов сгоревшей в бомбе серы от SO2 до SO3 и растворении последней в воде;

0,0015 и 0,0001 – коэффициенты, отражающие затраты тепла на образование

азотной кислоты в бомбе.

Низшая теплота сгорания (QнР, кДж/кг) – количество тепла,

выделяемое при полном сгорании 1 кг или 1 м3 рабочего топлива при условии,

что содержащийся в нем водород сгорает с образованием водяного пара, а

влага топлива испаряется. Эта величина рассчитывается по формуле

составлении тепловых балансов и определении кпд тепловых агрегатов. В

табл. 3 представлена энергетическая оценка различных топлив.

1.8. Весовой состав химических веществ и топлив

В металлургических процессах используют топлива, состоящие из смеси индивидуальных химических веществ. Например, природный газ представляет собой смесь горючих и негорючих газов, а также некоторое количество примесей в виде паров, смолы и пыли. Горючие компоненты представлены углеводородами метанового ряда: метан – СН4, этан – С2Н6, пропан – С3Н8,

бутан – С4Н10. Больше всего содержится метана ― в зависимости от месторождения от 60 до 96 %.

В качестве жидкого топлива используют мазуты различных марок: легкое

(Ф5,Ф12), среднее (40В и 40) и тяжелое нефтяное топливо. Эти мазуты используют для отопления транспортных и стационарных установок и промышленных печей разного назначения. Для большинства марок характерным является превалирующее количество углерода ― до 75–90% и

низкое количество водорода ― 2–12%. На долю (О + N) приходится 3–12%

(табл. 1.2).

Коксовый газ содержит СО2 –2,2–3,2%. СО – 5,5–7,0%, Н2 – 46–60,0%,

СН4 – 20–30%, а также до 2,5–3,5% этана, 3– 7% азота и около 1% кислорода.

Массовые доли соответствующих элементов в данном соединении рассчитывают по формулам

го элемента в молекуле индивидуального химического вещества; М = ∑Ai ∙zi –

молекулярный вес данного соединения.

10