Теория и технология производства стали 1. Учебник для вузов. М. Мир, ООО Издательство act

• Название: Учебник для вузов. М. Мир, ООО Издательство act
• Анкор: Теория и технология производства стали 1.doc
• Дата: 22.04.2017
• Размер: 7.23 Mb.
• Имя файла: Теория и технология производства стали 1.doc
• Тип: Учебник; #5208
• страница: 77 из 88

26.9. ЗАЩИТА ВОЗДУШНОГО

БАССЕЙНА В МЕТАЛЛУРГИИ
Значительная доля сил и средств, рас­ходуемых в металлургии на защиту ок­ружающей среды, связана с защитой воздушного бассейна. Основными на­правлениями защиты воздушного бас­сейна являются:

1. Защита от так называемых орга­низованных видимых загрязнений и выбросов в виде отходящих из агрега­тов газов и находящихся в их основе пыли, копоти, дыма через трубу или газоотсасывающие устройства.

2. Борьба с так называемыми неор­ганизованными загрязнениями, выделяе­мыми в атмосферу в процессе пере­возки, перемещения, складирования сыпучих материалов и металлошихты, а также в процессе транспортировки и перелива жидких чугуна, шлака, ста­ли, ферросплавов и лигатуры.

3. Борьба с невидимыми загрязне­ниями токсического характера (кото­рые иногда оказываются более опас­ными, чем видимые).

Защита воздушного бассейна от выбросов сопровождается улавлива­нием и последующей утилизацией этих выбросов.
26.9.1. Особенности защиты воздуш­ного бассейна в сталеплавильных цехах. Количество и состав покидающих ста­леплавильные агрегаты газов опреде­ляется такими факторами, как:

1. Использование топлива. Марте­новский процесс связан со значитель­ным расходом топлива. Состав топли­ва определяет состав отходящих газов (содержание серы при сжигании сер­нистого и малосернистого мазута нео­динаково, меньшее содержание водо­рода в мазуте и большее — в природ­ном газе и соответствующее различие в содержании Н₂О в продуктах сгора­ния и т. п.).

2. Использование кислорода. На­пример, в случае продувки металла воздухом в составе продуктов горения будет преобладать азот, а при замене воздуха кислородом азот в составе отходящих газов практически отсут­ствует.

3. Подсос воздуха через неплотнос­ти кладки и конструкций.

4. Специфические особенности процесса (например, при продувке металла в ковше аргоном в отходящих газах будет присутствовать в основном аргон; при продувке металла паром или при подаче в агрегат пара в отхо­дящих газах увеличится доля Н₂О и т.п.).

5. Наличие или отсутствие обору­дования и условий для дожигания СО до СО₂. При работе без дожигания в газах будет много СО; при работе с до­жиганием СО в отходящих газах прак­тически отсутствует.
26.9.2. Пылеобразование и пылега-зовые выбросы при продувке металла кислородом. Воздействие на металлур­гическую ванну струй кислорода со­провождается обильным выделением плавильной пыли. Пыль эта, состоя­щая в основном из оксидов железа, имеет бурый цвет, поэтому выделяю­щиеся при продувке ванны кислоро­дом образования обычно называют бу­рым дымом.

Бурый дым с содержащейся в нем плавильной пылью входит составной частью в потери с выбросами, выно­сом и выплесками металла и шлака. Общие потери металла с выбросами, выплесками и выносом плавильной пыли в отдельных случаях превышают 2 % от массы жидкой стали. Эти поте­ри трудно разделить по составляю­щим, так как в отбираемых пробах газа или при взвешивании пылилосле газоочистки определяется общая мас­са механически выносимых частиц и сконденсированных паров железа и его оксидов

Размеры частичек пыли в зависи­мости от условий продувки меняются в широких пределах — от 1 до 200 мкм. Большое влияние на унос пыли ока­зывают условия продувки. Испарив­шиеся в зоне высоких температур час­тички могут конденсироваться в зоне менее высоких температур. Например, при погружении продувочного уст­ройства в глубь ванны более крупные частички пыли, проходя через более «холодные» слои металла и шлака, конденсируются и остаются в ванне (меняя соответственно состав металла и шлака). Мельчайшие частички, «ви­тающие» в пузырьках газа, уходят вме­сте с газом из ванны. Крупные частич­ки оседают также на футеровке агрега­та. Поэтому состав и количество пыли в различных местах отбора проб могут существенно различаться. В среднем можно принять, что основной состав­ляющей плавильной пыли (более 90 %) являются оксиды железа, ос­тальное — оксиды марганца, кремния и другие примеси (в зависимости от состава металла и технологии плавки). Для грубых прикидочных расчетов можно принять, что на 1 м³ вдуваемо­го в ванну кислорода образуется пла­вильной пыли около 0,3 кг, в том чис­ле 0,2 кг Fe.

Основными понятиями данного раздела являются:

пылеобразование — количество пыли, выделяющейся из ванны в еди­ницу времени. Часть этой пыли воз­вращается в ванну, часть оседает на кладке, часть уносится с потоком га­зов;

пылеунос — количество пыли, уно­симой из агрегата с газом в единицу времени;

запыленность — концентрация пыли в отходящих газах.

На практике отработаны специаль­ные приемы, позволяющие умень­шить пылеобразование и вынос пыли из рабочего пространства агрегата. К их числу относятся:

1. Распределение дутья (замена од-ноструйных фурм многоструйными, увеличение угла расхождения со­пел) — обеспечивает более равномер­ное распределение газа в ванне и уве­личение площади контакта газовой струи с жидким металлом и шлаком, что, в свою очередь, повышает интен­сивность теплоотвода из зоны реак­ции.

2. Ввод в струю кислорода охлади­телей — в качестве охладителей ис­пользованы вода, водяной пар, инерт­ные газы (аргон), азот, порошкообраз­ная железная руда, известняк, известь и т. п. В качестве охладителей исполь­зуют также жидкие или газообразные углеводороды (у нас в стране обычно природный газ), на разложение кото­рых затрачивается тепло.

3. Заглубление струи кислорода при продувке или продувка снизу или сбоку — повышают интенсивность теплоотвода при интенсивном переме­шивании ванны; кроме того, достига­ется фильтрация пыли при прохожде­нии струи через слой металла и шлака.

4. Механическое перемешивание ванны (например, путем вращения аг­регата) — ускоряется теплообмен.
26.9.3. Борьба с «неорганизованны­ми» выбросами. Проблема улавливания так называемых неорганизованных за­грязнений и очистка от них воздушного бассейна пока еще далеки от решения. В конвертерных цехах значительны выбросы через аэрационный фонарь газов, пыли и других вредностей, вы­деляющихся при сливе стали в ковш, при завалке шихты, при заливке чугу­на, при ремонтах конвертера, от пе­чей для прокаливания ферросплавов (пыль, оксиды углерода и азота, гра­фитовая спель, сернистый газ, фтори­ды).

В электросталеплавильных цехах большое количество газов и пыли вы­деляется во время загрузки шихты и при сливе металла и шлака в ковш. Из-за трудностей улавливания значи­тельное количество (до 40 %) запылен­ного газа поступает непосредственно в атмосферу цеха.

В мартеновских цехах значительны выбросы через аэрационный фонарь главного здания вредностей, выделяю­щихся при заливке чугуна, при скачи­вании шлака и выпуске стали из пе­чей, при ремонтах печей (пыль, окси­ды углерода, азота, серы, графитовая спель).

При решении проблем, связанных с неорганизованными выбросами, не­обходимо учитывать, что капитало­вложения и эксплуатационные расхо­ды на улавливание и очистку значи­тельно выше, чем в случае «органи­зованных» выбросов, вследствие большего (в 8-10 раз) засоса воздуха, свойственного системам улавливания неорганизованных выбросов. Обычно неорганизованные выбросы улавли­вают с помощью тканевых фильтров (если их объем велик) и электрофиль­тров или высоконапорных скруббе­ров (при малом объеме или высокой температуре).

При этом приходится тщательно и взвешенно решать, что экономич­нее: ставить установки для улавлива­ния вредностей или строить укры­тия. При проектировании складов необходимо учитывать следующее: преобладающее направление ветра (и укладывать штабель вдоль него); с наветренной стороны не должно быть по возможности зданий и со­оружений, которые могли бы спро­воцировать турбулизацию потоков воздуха и усилить унос пыли; целе­сообразно также предусмотреть по­садку деревьев высотой не меньше высоты штабелей; на складах, в ших­товых отделениях и т. п. нужно стре­миться минимизировать высоту па­дения загружаемого материала; для увлажнения поверхностного слоя ре­комендуется его опрыскивание из системы распылителей; опрыскива­ние водой осуществляется в местах перегрузки; в случае длительного хранения материалов возможно при­менение химических добавок на ос­нове битума или органических поли­меров, упрочняющих поверхностный слой.

Для улавливания неорганизован­ных выбросов успешно применяют зонты. Зонты засасывают много возду­ха — это недостаток, но они почти не нуждаются в уходе и не мешают об­служивающему персоналу.

26.10. ОХРАНА ВОДНОГО БАССЕЙНА НА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЯХ

Металлургия наряду с другими про­изводствами химии — одна из наибо­лее водопотребляемых отраслей про­мышленности. Черная металлургия страны потребляет 13-15 % общего количества воды, расходуемого всеми отраслями промышленности. В на­стоящее время удельный расход воды на 1 т стали, включая все технологи­ческие операции по добыче и подго­товке руды, кокса, а также дальней­шему переделу чугуна в сталь, а да­лее — в прокат, трубы, метизы и т. д., превышает 260 м³. К сожалению, в этот показатель входит значительное количество воды из природных источников. Несмотря на предприни­маемые меры по эффективному ис­пользованию оборотной воды, более 4 % общего потребления воды из при­родных источников падает на черную металлургию.

Важную роль в проблеме рацио­нального использования и охраны водных ресурсов принадлежит норми­рованию водопотребления и водоотве-дения, использованию нетрадицион­ных источников водоснабжения, та­ких, как поверхностный сток, сточные воды городов после биологической очистки.

Основная задача нормирования — обеспечение производства продукции технически и экономически обосно­ванным количеством воды в целях наиболее рационального использова­ния водных ресурсов. Нормированию подлежит потребление общего коли­чества воды, необходимой для произ­водства единицы продукции, в том числе потребность в воде питьевой и свежей технического качества, обо­ротной, повторно и последовательно используемой, а также сточных вод, отводимых после очистки.

По масштабу применения нормы водопотребления и водоотведения классифицируются на операционные (агрегатные), попередельные, заводс­кие и отраслевые.

Операционная норма водопотребле­ния (водоотведения) определяется по­требностью в воде на производство единицы продукции при выполнении определенной операции и количе­ством отводимых сточных вод. Агре­гатная норма водопотребления (водо­отведения) определяется объемом воды, потребляемой (отводимой) кон­кретным агрегатом, с отнесением это­го объема к количеству выпущенной основной продукции за равные про­межутки времени.

Попередельная норма водопотребле­ния (водоотведения) на единицу про­дукции технологического передела включает нормативную потребность в воде на технологические, вспомога­тельные и подсобные, а также хозяй­ственно-питьевые нужды, относящие­ся к данному переделу, и соответству­ющее количество отводимых сточных вод.

Сточные воды металлургических заводов могут содержать взвешенные вещества, нефтепродукты, щелочи, соли, фенол, цианиды и др., поэтому вода, используемая на металлургичес­ких заводах, должна подвергаться очи­стке. Очистка сточных вод осуществ­ляется с помощью механических, хи­мических, физико-химических и био­логических методов.

К сожалению, пока еще не все из­вестные способы очистки сточных вод достаточно эффективны, поэтому принимают все меры к использованию бессточных оборотных систем водо­снабжения, предусматривающих пре­дохранение воды от попадания в нее пыли и вредных веществ и включаю­щих эффективную очистку воды не­посредственно на заводе. Одновре­менно ведется разработка инженер­ных решений, направленных на уменьшение расходов воды и совер­шенствование технологических про­цессов с целью сокращения водопот­ребления. Одним из таких решений является замена обычного водяного охлаждения на пароиспарительное. Если применять не техническую, а хи­мически очищенную воду, то можно, не боясь выпадения осадков (накипи), нагревать ее до 100 °С и выше¹. При этом от охлаждаемого элемента отво­дится не только тепло, затрачиваемое на нагревание воды до кипения, но и скрытая теплота парообразования. Это позволяет сократить расход воды в десятки раз.

В расчетах можно принимать, что 1 кг воды при испарительном охлаж­дении отбирает от охлаждаемой дета­ли до 2550 кДж, в то время как при традиционном водяном охлаждении — 40—80 кДж. При существенно мень­шем расходе воды на охлаждение за счет использования скрытой теплоты парообразования применяют более дорогую химически очищенную деаэ­рированную воду, при кипении которой в охлаждаемых деталях не образу­ется накипь, что ведет к увеличению срока их службы.
¹ Напомним: теплота испарения (теплота парообразования) — количество теплоты, ко­торое необходимо сообщить веществу, чтобы перевести его из жидкого состояния в паро­образное. Удельная теплота испарения изме­ряется обычно в Дж/кг (или ккал/кг). Для воды при нормальном внешнем давлении эта величина равна 22,6 • 10⁵ Дж/кг (539 ккал/кг).
К снижению расхода воды ведет и охлаждение горячей хи­мически очищенной водой («горячее охлаждение»). Сущность способа зак­лючается в том, что для охлаждения элементов печи используют химичес­ки очищенную воду с начальной тем­пературой около 70 °С, которая после нагрева в охлаждаемых элементах при­мерно до 95 °С используется для горя­чего водоснабжения (жилых домов, столовых и т. п.), а также для произ­водственных нужд (подогрева конден­сата и т. п.). Для каждого металлурги­ческого передела характерны свои особенности водопотребления и орга­низации экономии воды. Большое по­требление воды характерно для уста­новок непрерывной разливки стали. Вода расходуется на охлаждение крис­таллизаторов, обжимных роликов, рольгангов, тянущих клетей, газовых резаков, охладителей гидравлических систем, на охлаждение слитка (вто­ричное охлаждение) и для гидротранс­порта окалины. Обычно предусматри­ваются три отдельные системы водо­снабжения: охлаждение кристаллиза­торов, охлаждение машин и вторичное охлаждение. Расход воды сокращается при переходе от чисто водяного ох­лаждения заготовок к водовоздушному. В системах водовоздушного ох­лаждения применяют сопла специаль­ной конструкции; к такому соплу под­водятся вода и сжатый воздух. Внутри сопла образуется смесь из воздуха и воды, создается струя тонкораспылен­ной воды большой ширины и длины. Внедрение систем водовоздушного ох­лаждения позволяет в 1,5—2,0 раза со­кратить расход воды на вторичное ох­лаждение.

В конвертерном процессе происхо­дит выделение большого количества сильнозагрязненного газа с высокой температурой. Такие газы значительно загрязняют окружающую местность, поэтому до выбросов в атмосферу их нужно тщательно очищать. Поскольку температура газов высока, перед очис­ткой их необходимо охладить. В кис­лородно-конвертерных цехах вода расходуется на охлаждение фурм, ка­минов, дымососов, орошение и охлаждение газов, поливку пола и про­чие мелкие нужды. В зависимости от способа охлаждения конвертеров, от­вода и очистки газов расходы воды составляют от 5 до 13,5м³/т выплав­ляемой стали. Из этого количества примерно 35 % расходуемой воды не соприкасается с продуктом и не за­грязняется, а только нагревается, что позволяет использовать ее повторно. Остальная вода соприкасается с отхо­дящими газами, загрязняется части­цами пыли и требует надлежащей очистки для возможности ее повтор­ного использования или сброса в во­доем.

Системы водоснабжения охлажде­ния дуговых печей, как правило, уст­раивают оборотными, с охлаждением водой на градирнях или воздушных охладителях. Отдельные элементы ду­говых печей могут оснащаться систе­мами испарительного охлаждения или системами охлаждения горячей водой.

Существенное снижение расхода воды имеет место при переходе от мокрой газоочистки к сухой, есть ряд других решений, связанных с эконо­мией воды. На современных метал­лургических предприятиях преду­смотрен комплекс мер, обеспечиваю­щих уменьшение забора воды из при­родных источников. К ним относятся: сбор и использование дождевых вод на территории предприятия; использова­ние после соответствующей очистки городских сточных вод.

Сокращение расхода воды обеспе­чивается при разделении потоков «чи­стой» воды и сравнительно «грязной» (типа сточных вод от установок непре­рывной разливки, содержащих окали­ну и масло). При этом необходимо учитывать, что загрязнения в разных отделениях цеха могут существенно различаться; различаются и способы очистки (например, загрязнения сточ­ных вод газоочисток конвертеров и ус­тановок непрерывной разливки и т. п.). Требования к воде, которая на­правляется на полив территории, на уборку помещений, в бытовые поме­щения для персонала, для охлаждения печей, в котлы-утилизаторы и т. д., также существенно различны. Поэто­му каждый из перечисленных потоков воды подвергается предварительной обработке (декарбонизации, умягче­нию, обессоливанию, хлорированию, химической очистке и т. п.). Един­ственным решением этой непростой проблемы является создание на каж­дом предприятии серии бессточных систем.

Из-за недостатков, присущих от­крытым системам водоснабжения с охлаждением оборотной водой на гра­дирнях, в настоящее время чаще при­меняются замкнутые системы водо­снабжения; в них циркулирует умяг­ченная вода, которая охлаждается в замкнутых теплообменниках, т. е. можно полностью решить проблемы, связанные с отложениями осадков. Для умягчения воды применяются специальные умягчители.

26.11. ЧЕРНАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ

И ПРОБЛЕМЫ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ «ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ»

Под влиянием решений конференции ООН в Рио-де-Жанейро, прошедшей в 1992г. с участием России (всего участвовало 125 государств), Прези­дентом РФ 01.04.1996 г. был подписан Указ № 440 «О концепции перехода Российской Федерации к устойчиво­му развитию». В Указе, в частности, отмечается, что социально-экономи­ческое развитие общества в XX в., в основном сориентированное на быст­рые темпы экономического роста, породило беспрецедентное причине­ние вреда окружающей природной среде. Человечество столкнулось с противоречиями между растущими потребностями мирового сообщества и невозможностью биосферы обеспе­чить эти потребности. Богатство при­роды, ее способность поддерживать развитие общества и возможности са­мовосстановления оказались не без­граничными. Возросшая мощь эконо­мики стала разрушительной силой для биосферы и человека. При этом цивилизация, используя огромное количество технологий, разрушаю­щих экосистемы, не предложила по сути ничего, что могло бы заменить регулирующие механизмы биосферы.

Возникла реальная угроза жизненно важным интересам будущих поколе­ний человечества.

Конференция в Рио-де-Жанейро приняла рамочную конвенцию ООН об изменении климата (United Nations Framework Convention), основная цель которой заключается в том, чтобы до­биться стабилизации концентраций «парниковых газов» в атмосфере на та­ком уровне, который не допускал бы опасного антропогенного воздействия на климатическую систему.

В качестве парниковых газов при­знаны прежде всего диоксид углеро­да СО₂, метан СН₄, оксид азота N₂O, гидрофторуглероды (ГФУ), перфтор-углероды (ПФУ), гексафторил серы SF₆.

На международном совещании в г. Киото (Япония) в декабре 1997 г. был принят так называемый «Киотский протокол», в котором говорится об обеспечении положения, при кото­ром совокупные антропогенные вы­бросы парниковых газов не должны превышать уровня 1990 г.

Против этого у ряда стран имеют­ся возражения (прежде всего под вли­янием представителей черной метал­лургии и энергетики). С разных пози­ций выступили, с одной стороны, представители США, с другой — Ки­тая и других развивающихся стран. Почему? Основным (более 98 %) ис­точником выбросов парниковых га­зов служит природное топливо. По­требление угля, нефти и природного газа в различных странах неодинако­во. В 1998 г. душевое потребление топлива (в пересчете на нефть) в США составило 7,1 т/чел., в Китае — всего 0,66, в Индии — 0,26, в Индоне­зии — 0,36. Представители некоторых развивающихся стран называют эти цифры «выбросами выживания», а выбросы развитых стран — «выброса­ми роскоши». Ограничить массу вы­бросов для этих стран означает огра­ничение промышленного развития, а между тем большинство развиваю­щихся стран в настоящее время всту­пило в период увеличения интенсив­ности развития и роста промышлен­ности и транспорта. Если вниматель­но ознакомиться с данными о населении крупнейших стран мира, то станет ясно, что в ближайшие годы показатели по выбросам в развиваю­щихся странах превысят данные по­казатели для развитых стран. Доста­точно отметить, что если в 1992 г. (год принятия конвенции в Рио-де-Жа­нейро) выбросы развивающихся стран составляли 25%, то к настоя­щему времени они уже приблизились к 50 % общей массы выбросов.

Американские специалисты в сво­их возражениях обращают внимание на отсутствие в научных кругах едино­го мнения о роли диоксида углерода СО₂ и некоторых других газов, а также на то, что в черной металлургии боль­шое количество СО₂ образуется не вследствие сжигания топлива, а явля­ется результатом реакций восстанов­ления железа из руд МеО₂+ С Me + СО₂.

В России вследствие временного экономического спада задача сниже­ния выброса парниковых газов до уровня 1990 г. в течение ряда лет сто­яла не так остро, как в США. Однако наметившийся в настоящее время экономический рост меняет ситуа­цию, единственным выходом из кото­рой может быть: а) резкое повышение эффективности использования энер­гии (сегодня она заметно ниже, чем в развитых странах); б) замена устаре­лых технологий и агрегатов; в) пере­ход на производство стали более вы­сокого качества, что позволит обеспе­чить нужды потребителей поставкой металла с более высокими механичес­кими характеристиками, за счет чего можно уменьшить массу металлоиз­делий.

«Лидерами» по многим специфи­ческим вредным выбросам (СО, SO₂, NO₄) в черной металлургии являются коксохимическое и агломерационное производства, однако серьезные проблемы имеются и в сталеплавиль­ном производстве. Прежде всего это относится к проблеме полной утили­зации оксида СО, выделяющегося при окислении углерода, и к проблеме недопущения выбросов диоксинов в процессах подогрева металлолома. Эти проблемы должны учитываться при разработке ресурсосберегающих технологий и соответствующего обо­рудования.