Техноекологія металургії та машинобудування

Рисунок 3.1 - забруднюючі речовини та відходи основних виробничих процесів

На рис.3.1 перераховані забруднюючі речовини та відходи, які утворюються в ході основних виробничих процесів. Їх можна розбити на три основні категорії: забруднювачі повітря, домішки, які забруднюють стічні води, і тверді відходи.

Техноекологія виробництва коксу

Коксування - метод переробки рідких і твердих горючих копалин нагріванням при 900-1050 ^оС без доступу повітря. Паливо при коксуванні розкладається з утворенням летючих речовин (до 25%) і твердого залишку. Основні продукти коксохімії: кокс кам'яновугільний (76-78%), коксовий газ (14-15%), різні хімічні продукти (5-6%), наприклад бензол, нафталін, антрацен, смоли, кам'яновугільні масла.

У коксохімічному виробництві основними процесами, пов'язаними з найбільшими викидами в атмосферу, є підготовка шихти, її транспортування, завантаження шихти в камери коксових печей, коксування, вивантаження готового коксу, його охолодження, а також виробництво побічних продуктів коксування.

Процесс коксования осуществляют в горизонтальных кок­совых печах, представляющих собой узкую, длинную и высо­кую камеру, расположенную между обогревательными про­стен-ками и отделенную от них' тонкой (100—120 мм) стенкой из огнеупорного кирпича. Для удобства эксплуатации и повы­шения производительности труда камеры сводят в батареи, со­стоящие из n камер и n+1 простенков. На современных пред­приятиях число камер в батарее колеблется от 50 до 120. Раз­меры камер современных печей: ширина 0,40-0,45 м; длина 13-17 м; вы­сота 4-6 м.

В Украине ширина камеры составляет 0,41м и полезная вместимость - до 32,4 м³. В верхнем пе­рекрытии камеры имеют три загрузочных отверстия и отверстия для отво­да летучих продуктов коксования, которые через газоотвод (стояк и примыкающую к нему газоотводную арматуру) по­падают в газосборник, от­куда направляются в цех химической очистки газов. С торцов камера плотно закрывается специаль­ными дверьми, которые снимаются только по окончании коксо­вания для выталкивания готового кокса с помощью штанги коксовыталкивателя. Чтобы облегчить выталкивание, камеру печи делают шире с «коксовой стороны» (сторона, куда вытал­кивается кокс) по сравнению с «машинной стороной» (сторо­на, откуда выталкивается кокс) на 40-50 мм.

Коксовые печи чаще всего обогреваются коксовым и до­менным газами, что обусловлено тесной взаимосвязью домен­ного и коксохимического производств.

Производительность коксовой печи определяется размера­ми камеры и скоростью коксования, которая, в свою oчередь, зависит от температуры в обогревательных каналах.

Основные показатели работы современных коксовых печей:

Максимально допустимая температура в обогревательных каналах – 1450^OC

Конечная температура коксования угля 1000-1050°С

Период коксования угля 13,5-17,6 ч

Годовая производительность до 1 млн т.

Раскаленный кокс выгружают из камеры коксовой печи и тушильный вагон, представляющий собой открытый стальной кузов с наклонным дном, установленный на двух железнодорожных тележках нормальной колеи, затем охлаждают (ту­шат). Естественно, - эти операции связаны со значительным.вы­делением в рабочее пространство вредных газов.

Существует два способа тушения кокса: сухой и мокрый. Более распространен способ мокрого тушения: кокс после выдачи из камеры коксовой печи заливают водой. Для этого тушильный вагон с коксом, передвигающийся вдоль -фронта коксовых печей при помощи электровоза, транспорти­руется в тушильную камеру - мощный железобетонный кар­кас с вытяжной тру-бой и устройством для тушения кокса. Ту­шильное устройство представляет собой ряд труб (от двух до семи) с отверстиями (или форсунками по длине трубы), рас­положенных вдоль оси тушильного вагона, через который кокс заливается водой.

Количество воды для тушения 1 т кокса составляет около 2 т, причем за время тушения (120-140 с) около 0,5 м³ воды испаряется.

При применении способа сухого тушения кокса рекуперируется около 80% теплоты, уносимой коксом, что эквивалентно 4,5-5,0% всей тепловой энергии, содержа­щейся в каменном угле. Качество кокса при сухом тушении улучшается.

Схема установки сухого тушения кокса следующая: инерт­ные по отношению к коксу газы (обычно продукты горения кокса) проходят пространство с раскаленным коксом, затем теплообменник (паровой котел) и вентилятор. Охлажденные после теплообменника газы опять подаются для охлаждения раскаленного кокса. При тушении 1 т кокса можно получить около 0,42 т пара под давлением 3,82 МПа и при температуре 450°С.

Примерный состав циркуляционного газа, %: С0₂ - 5; СО - 18; Н₂ - 10; N₂ — 66; О₂ - 0,4. Горючие компоненты содержатся в циркуляционном газе в таких количествах, что делают установку взрывоопасной, а газ высокотоксичным.

Техноекологія агломераційного виробництва

В даний час внесок підприємств у загальний обсяг викидів промисловості становить близько 16%, у тому числі по пилу - 3,7%, по оксиду вуглецю (II) - 7,7%, по оксиду сірки (IV) - 2,2% . Розподіл основних викидів по цехах металургійного заводу може бути представлена ​​в наступному вигляді,%:

	Пил	SО 2	СО		Пил	SО 2	СО
Агломераційна фабрика	34,3	82,5	62,5	Прокатні цехи	0.01,	3,0	-
Коксохімічний цех	1.1	0,9	7,5	Цехи вогнетривів	2,7	0,21	0,1
Доменний цех	1.7	1,6	2,7	Енергетичні установки	36,9	7,5	-
Конвертерний. Цех	8,3	0,6	0,4
Мартенівський цех	4,0	0,6	0,2	Інші	11,0	3,1	26,6

В цілому для заводу з річною продуктивністю 1 млн. т стали викиди складають, т/добу: пилу - 350; SО₂ - 200 і СО - 400. Природно, вони повинні піддаватися попередньому очищенню.

Особливості агломераційного процесу і склад викидів.

Агломераційна машина (площі поверхні спікання шихти складають 50, 75, 200 і 312 м²) являє собою металевий колосникових стрічковий конвеєр, що складається з окремих ланок - палет. Ширина цього, конвеєра дорівнює 3-5 м, довжина 60 м і більше; швидкість його можна регулювати від 60 до 225 м/ч.

Таблиця 3.2 - Показники технічного рівня роботи агломераційних фабрик

Найменування показника	СНД	Японія, ФРН і ін
Площа спікання, м2	62,5-336	до 600
Висота спекаемого шару, мм	170-470	500-700
Продуктивність нагнітачів, тис. м 3/хв.	3,5-13	40-48
Розрідження в колекторі, кПа	4,2-12	16-20
Підсосі повітря в газоотводящий тракт через нещільність,%	50-60	15-20
Питома продуктивність агломашин, т/(м2год.)	0,6-1,9	1,4-2,3
Продуктивність однієї агломашин, тис. т/добу	1,8-9,5	до 30
Продуктивність дробарок, грохотів агломерату тис. т/добу	100-600	1800
Площа грохотів агломерату, м2	6-21	38-50
Питома витрата електроенергії, (квт×год)/т	17-62	17-30
Питома витрата твердого палива, кг/т	36-80	36-42
Показники якості агломерату: - Масова частка заліза,%; - Масова частка монооксиду заліза,%; - Основність, од. осн.; - Масова частка дріб'язку класу 0-5 мм,%	44-58 7-21 0,7-2,1 7,7-19,3	55-59 4-7 1,6-2,2 2-5
Питомі викиди шкідливих речовин (пил, токсичні гази) в атмосферу, кг/т	18-66	18-24

При великих швидкостях руху стрічки відбувається інтенсивне розтріскування агломерату, в тріщинах скупчується пересушена маса, яка є додатковим джерелом пилу, що виноситься газами. При збільшенні швидкості руху конвеєра від 120 до 150 м/год. кількість пилу в відведених газах підвищується від 150 до 450 мг/м^3. Нижче наведені усереднені дані по викидах, що виділяється в процесі спікання железосодержащей шихти на агломашинах з площею поверхні спікання oт 50 до 312 м², що працюють з охолодженням агломерату:

Таблиця 3.3 - Bиброси по різних вакуум камерам агломашин (по її довжині)

Вакуум-камери	1	2	6-26	28	30	32
Витрата газу, тис. м3/год.	28,5	18,5	10-14	17	17,0	23,0
Кількість пилу в газі, г / м 3	10,0	3,5	0,2-0,6	4,0	8,1	18,2

Таблиця 3.4 - Характеристика агломашин

Показник	Зона спікання	Зона охолодження
Висота шару шихти, мм	240-300	240-300
Вихід газу
м3/т агломерату	2100-2300	1500-1700
м3/м 2 площі поверхні машини	2900-3400	3400-4200
Гідравлічний опір шару шихти, кПа	9,5-11,0	2,35-3,5
Вихід пилу після грубої очистки в колекторі, кг/т агломерату	3,0-7,0	8,0-21,0

Збільшений витрата газів в зоні охолодження та наявність наскрізних тріщин у шарі шихти призводять до підвищеного виносу пилу з зони охолодження. На двозонний агломераційних машинах з охолодженням агломерату на стрічці, як видно з наведених даних, питома вихід пилу з зони охолодження на 37-57% більше, ніж із зони спікання.

Питома вихід пилу на 1 т агломерату досягає 50-60 кг. Однак значна частина великих фракцій пилу осідає в колекторі машини і з вихідними з агломераційної машини газами несеться тільки від 8 до 21 кг. Хімічний склад пилу визначається в основному складом спекаемой руд і використовуваного палива і змінюється в досить широкому інтервалі,%: FeO - 9-10; Fe₂0₃ – 45-60; Si0 ₂ – 10-15; А1₂0 ₃ - 0,5-1,5; СаО – 9-13; MgO - 0,5-1,5; МnО - 0,20-0,3; Р₂0₅ - 0,03-0,05; S - 0,5-0,7; С – 4-7.

Табл. 3.5 - Примірний дисперсний склад пилу в агломераційних газах зони спікання

Розмір частинок, мкм	0-30	30-63	63-100	100-400	Більше 400
Масова частка,%	20	34	27	14	5

Щільність пилу становить близько 3,6 г/м³, кут природного укосу 39-41^О. Питомий електричний опір (УЕС) пилу при температурі 60-200° С змінюється від 0,1 до 9 ГОм/м.

Утворені при спіканні шихти аглогази містять також значні кількості SО ₂ і СО. Процес вигоряння сірки і ступінь десульфурації шихти залежать від властивостей сполук сірки в мінералах і витрати палива на спікання шихти. При спіканні шихти, що містить сульфіди заліза, на аглострічці вигорає 90-96% сірки. Дослідження показали, що при спіканні шихти, що містять до 4% сульфідної сірки, масова частка сірки в агломераті складає до 0,08%.

Кількість СО в технологічних аглогазах залежить від витрати палива та умов його спалювання в шихті; на всіх вітчизняних аглофабриках воно практично однаково і. складає в середньому 12-15 г/м³ (або 34 кг/т агломерату). У середньому аглогази містять,%: СО - 0,6; S0₂ - 0,04; С0₂ - 5; 0₂ - 15; Н₂0 - 6; N₂ - 73; інші - 0,36.

Крім цих викидів, що утворюються при спіканні шихти і видаляються через аспіраційні системи агломашин, при виробництві агломерату виділяється також велика кількість неорганізованих викидів. Пилоутворення відбувається на різних стадіях підготовки шихти - розвантаженні компонентів шихти, перевантаженнях, дробленні, подрібненні, а також дозуванні. Так, тільки на ділянці подачі матеріалів з ​​шихтових бункерів через дозувальні столи в барабанний змішувач первинного змішування кількість пилу у барабанів становить від 60 мг/м ³ до 200мг/м³. Значна кількість пилу утворюється при скиданні коксового пирога в хвостовій частині стрічки на стаціонарний колосникових гуркіт: від 160 мг/м³ до 1300 мг/м³.

Рясне пиловиділення спостерігається в процесі сортування агломерату на самобалансних віброгуркоті. Концентрація пилу у самобалансного гуркоту досягає 14,3 г/м^3, і в атмосферу викидається близько 25 т агломераційної пилу на добу.

На аглофабриці одного із заводів концентрація пилу у віброгуркоті становить 5 г/м^3. Кількість відсмоктується запиленого повітря - 65 тис. м³/год. Після очищення запиленого повітря в скруберах концентрація пилу в ньому знижується до 260 мг/м³ та в атмосферу викидається 0,4 т/добу. При завантаженні агломерату у вагони також утворюється велика кількість пилу. Концентрація пилу в повітряно-пиловій потоці над відкритим вагоном коливається від 2,5 до 4,9 г/м^3. Валове кількість викидається в атмосферу пилу при навантаженні агломерату у вагони становить 360 кг/ч.

Очистка газов. В большинстве случаев на наших аглофаб­риках применяют следующую схему сбора и отвода технологи­ческих газов от агломашины. Из всех вакуум-камер, располо­женных по длине агломашины, газы собираются в общий кол­лектор, размещенный параллельно оси агломашины, с одной ее стороны.

На ответвлениях вакуумных камер к коллектору располо­жены S-образные инерционные устройства или специальные ло­вушки, в которых за счет сил инерции, возникающих при по­воротах, выделяются самые крупные частички пыли. Собира­ясь в коллекторах, запыленные газы с небольшой скоростью (дo 10 м/с), движутся по нему в направлении к головной ча­сти агломашины. При этом из пылегазового потока под действием сил гравитации выпадают крупные час-тички пыли и собира­ются в расположенных под коллектором пылевых бункерах, от­куда их удаляют обычно с помощью гидросмыва.

На рисунке показаны существующие варианты схем сбора н отвода технологических газов от агломашин как при исполь­зовании всей ленты для процесса спекания, так и при осуществ­лении охлаждения агломерата на хвостовой части ленты. При этом следует отметить, что газовый коллектор, работающий в качестве пылевой камеры, обеспечивает выделение пыли из пы­легазового потока на 50-60%, а в том случае, когда длина га­зового коллектора существенно увеличивается (вариант в), эф­фективность работы коллектора как пылеуловителя повы-шает­ся до 80-85%.

Учитывая, что пылегазовые выбросы с высокой концентра­цией пыли поступают из первых и последних, камер, наиболее целесообразной является схема сбора и отвода агломерацион­ных газов, где длина пути сильно запы­ленного газа в коллекторе значительно увеличивается и эффек­тивность коллектора заметно возрастает. Благода­ря установке на подводах к коллектору из первых и последних камер специальных пылеуловителей, обычно циклонов, абсо­лютное поступление пыли в коллектор значительно снижается, и в целом обеспечивается более высокая степень предварительной очистки газов от пыли.

а - совместный отвод газов на очистку из зоны спекания и зоны охлаж­дения; б - раздельный отвод газов на очистку из зоны спекания и зоны охлаждения; в - отвод газов на очистку из первых и последних камер аг­ломашины; 1 - аглолента, 2 - вакуум-камеры; 3 - коллектор; 4 - бун­кера коллектора; 5 - кривая распределения пыли выноса; 6 - пылеуловите­ли селективной очистки.

Схемы сбора и отвода технологических газов от агломерационных: машин:

Из коллектора газы отводят в основную систему газоочистки, в качестве главного аппарата в которой используются либо групповые циклоны, центробежные скруб­беры или трубы Вентури, либо электрофильтры. На большинстве аглофабрик для очистки газов от пыли до последнего вре­мени применяли групповые циклоны, которые не обес­печивали допустимую сте­пень очистки. Неравномерное распреде­ление газов вследствие больших размеров аппара­тов, пропускающих огром­ный объем газа, быстрый износ .циклонных элемен­тов, их засорение, значи­тельные подсосы воздуха снижают степень очистки газа от пыли до 60-70%. В зависимости от концент­рации пыли в отходящих газах на входе в циклоны и возможностей этих пыле-очистительных установок за­пыленность отходящих га­зов после циклонов состав­ляет 0,3-0,6 г/м³. Значи­тельное содержание пыли в газах вызывает, кроме то­го, ускоренный абразивный износ роторов эксгаустеров и недопустимо высокую концентрацию пыли и токсичных приме-сей (СО и S0₂) в районе аглофабрики и прилегающих участках города.

В последние годы на ряде заводов для очистки газов агломашин стали применять мокрую систему очистки в различном аппаратурном оформлении. На некоторых заводах сразу после коллектора установлены центробежные скрубберы, обеспечивающие довольно высокую степень очист­ки (94-96%). Однако запыленность газов на выходе состав­ляла 150-250 мг/м³, что значительно больше рекомендуемой (80-100 мг/м³). На других заводах центробежные скрубберы были установлены после второй ступени очистки газов (после группового циклона). При коэффициенте очистки в этой тре­тьей ступени (считая коллектор) 0,96-0,98 остаточная запы­ленность газов на выходе составляет 80-150 мг/м³.

При использовании в качестве третьей ступени очистки низ­конапорных скрубберов Вентури, которые при пе­репаде давления 2,5-3,5 кПа и удельном расходе воды на оро­шение, равном 0,10-0,15 кг/м³, работали с коэффициентами очистки 0,93-0,95, запыленность газов на выходе не удавалось уменьшить ниже 200-300 мг/м³. Возможность повышения сте­пени очистки за счет увеличения перепада давления на трубах Вентури ограничивалась напором эксгаустера.

Таким образом, даже применение трехступенчатых схем обеспыливания технологических газов агломашин не обеспечи­вает очистку газов, отвечающую санитарным нормам. Кроме того, недостатком мокрой очистки является необходимость снабжения системы водой, отвода шламов и защиты отдельных узлов устройств от коррозии. При этом внутренние стенки ап­паратов мокрого обеспыливания, газопроводы и роторы экс­гаустеров покрываются слоем твердых отложений, что вызыва­ет существенные затруднения при их эксплуатации. Преимущество применения мокрого способа очистки аглогазов заключается в том, что в скрубберах при орошении газов тонкораспыленной водой удается извлечь из отходящих газов до 50% содержащихся в них соединений серы. В настоящее время в черной металлургии всего мира са­мым совершенным устройством для очистки агломерационных газов от пыли считают электрофильтр, который обеспечивает остаточную запыленность газов ниже 80 мг/м³.

С хемы очистив отходящих газов агломе-рационных машин: 1 - агломашина; 2 - коллектор; 3 - батарейный циклон; 4 - экс­гаустер; 5 - дымовая труба; 6 - центробежный скруббер; 7 - труба Вентури; 8 - каплеуловитешь; 9 - электрофильтр

На фабрике горно-обогатительного комби­ната технологические газы от агломашин очищают с помощью электрофильтров. На очистку поступает 460-490 тыс. м³/ч га­зов, выделяющихся при производстве 141-190 т/ч агломерата, с запыленностью на входе в электрофильтр около 0,4-0,7 г/м³ при температуре газов 65-175°С. При скорости движения га­зов в электрофильтре 0,9-1,5 м/с степень их очистки от пыли составляет 80-96%, что обеспечивает количество пыли в газах на выходе из аппарата, равное 30-54 мг/м³. Основными преимуществами электрической очистки аглогазов от пыли являются малые энергозатраты при высокой эф­фективности очистки и отсутствие водного хозяйства; недостат­ки - большие габариты и высокая начальная стоимость уста­новки.

Однако электрические фильтры обеспечивают эффективную очистку аглогазов только от пыли, тогда как два других вред­ных компонента (СО и SО₂) остаются полностью в отходящих газах и выделяются в атмосферу. В этом отношении мокрые методы очистки газов по сравнению с электрическими более перспективны, поскольку обеспечивают возможность частичного улавливания SО₂, хотя СО остается в полном объеме в от­ходящих газах. Таким образом, ни одна из рассмотренных схем не обеспе­чивает санитарной очистки аглогазов по всем трем основным вредным компонентам, и в настоящее время разработка эконо­мичной схемы очистки больших количеств этих малозапыленных газов (0,5-1,0 млн м³/ч), содержащих относительно не­большие количества СО и SО₂ (в среднем по 1%), представля­ет собой трудно решаемую техническую проблему.

Что касается экономики организации процесса очистки аг­логазов от пыли, то здесь необходимо отметить, что в целом капиталовложения в очистку довольно высоки. На одной из оте­чественных аглофабрик доля капитальных затрат на очистку в суммарных капиталовложениях на всю фабрику составляет: 4,5% - при организации процесса очистки газов в групповых цикло-нах; 6,3% - в центробежных скрубберах; 11,2% - в электрофильтрах и 8,6% - по двухстадий-ной схеме очистки газов в циклонах и скрубберах.

Затраты на очистные сооружения (в расчете на 1 т продук­ции) составляют, грн.: 0,12 на групповые циклоны; 0,15 на цент­робежные скрубберы; 0,26 на электрофильтры и 0,21 - по двух-стадийной схеме очистки газов в циклонах и скрубберах.

Видно, что затраты на организацию переде­ла очистки аглогазов от пыли в электрофильтрах являются са­мыми высокими по сравнению с любым другим разработан­ным способом, однако именно электрическая очистка газов обеспечивает достижение требуемых санитарными нормами пределов очистки, тогда как другие способы этих пределов не обеспечивают.

Сравнивая различные способы очистки газов, необходи­мо учитывать и такой постоянно действующий фактор: текущие затраты на эксплуатацию электрофильтра ниже (0,022-0,036 грн. на очистку 1000 м³ газа), чем на тканевые фильтры (0,036- 0,049 грн.) и тем более на эксплуатацию скрубберов Вентури (0,046-0,077 грн.). Кроме того, уловленная пыль легко может быть возвращена в производство. На аглофабриках доля капитальных вложении в электростатическую очистную установку достигает 9,3% общей суммы капитальных затрат на основное оборудование. В течение суток в фильтре оседает 30 т мелкозернистой пыли. Стоимость возвра­щаемой в переработку пыли вполне покрывает все расходы, связанные с электрической очисткой аглогазов от пыли.