Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы устойчивого развития металлургической отрасли 11
1.1. Принципы устойчивого развития 11
1.2. Производство и потребление стали 15
1.3. Проблемы устойчивого развития украинской металлургической отрасли 20
1.4. Экологическая ситуация в металлургических центрах 27
1.5. Влияние металлургической промышленности на перспективы устойчивого развития Украины 32
Глава 2. Характеристика материальных и энергетических ресурсов металлургического производства 36
2.1. Шихтовые материалы 36
2.1.1. Железные руды и концентраты 36
2.1.2. Железосодержащие отходы 39
2.1.3. Добавочные материалы 42
2.2. Энергетическое сырье металлургического производства 43
2.2.1. Энергоемкость металлургических процессов 43
2.2.2. Виды используемого топлива 44
2.2.3. Экологические характеристики топлива 47
2.2.4. Расчет горения топлива 48
2.3. Водопотреблеиие при производстве стали 51
Глава 3. Образование и удаление отходов металлургического производства 55
3.1. Образование выбросов металлургического производства 56
3.1.1. Математическое описание процесса образования пыли 56
3.1.2. Термодинамические условия и кинетические закономерности образования токсичных выбросов 64
3.1.3. Образование оксидов углерода 69
3.1.4. Образование оксидов серы 75
3.1.5. Образование оксидов азота 79
3.2. Анализ эффективности работы газоочистных аппаратов в металлургическом производстве 86
3.2.1. Пылеочистные аппараты SS
3.2.2. Очистка газов от токсичных примесей 104
3.3. Анализ системы нормирования выбросов 110
3.3.1. Предельно допустимые концентрации 110
3.3.2. Предельно допустимые выбросы 113
3.3.3. Удельные выбросы 115
3.4. Сточные воды 116
3.4.1. Расчет концентрации вредных веществ в сточных водах 117
3.4.2. Очистка сточных вод 119
3.5. Твердые отходы 123
3.5.1. Образование твердых отходов 123
3.5.2. Характеристика твердых отходов 126
Глава 4. Агломерационное производство 131
4.1. Расчет показателей агломерационного процесса 131
4.1.1. Расчет расхода газа на зажигание шихты 132
4.1.2. Расчет горения топлива 136
4.1.3. Расчет нагрева агломерируемого слоя 140
4.1.4. Расчет выбросов токсичных газов 144
4.1.5. Расчет выноса ныли при агломерации шихты 153
4.1.6. Расчет качественного и количественного состава продуктов агломерации 156
4.2. Оптимизация агломерационного процесса 164
4.2.1. Повышение выхода годного агломерата 164
4.2.2. Снижение энерго- и водонотребления 165
4.2.3. Снижение выбросов ныли 168
4.2.4. Снижение выбросов угарного газа 173
4.2.5. Снижение выбросов оксидов серы 175
4.2.6. Снижение выбросов других токсичных газов 177
4.2.7. Высокоэффективные схемы очистки агломерационных газов 179
Глава 5. Коксохимическое производство 184
5.1. Расчет показателей коксохимического производства 184
5.1.1. Расчет выхода и состава продуктов коксования 184
5.1.2. Расчет энергозатрат на производство кокса 191
5.1.3. Оценка эффективности очистки коксового газа 193
5.1.4. Расчет водопотребления и образования стоков 195
5.1.5. Образование и переработка отходов 199
5.1.6. Характеристика источников выбросов 201
5.2. Оптимизация коксохимического производства 206
5.2.1. Выбор шихтовых материалов 207
5.2.2. Выбор топлива для отопления батарей 208
5.2.3. Реконструкция системы водоснабжения 209
5.2.4. Подавление неорганизованных источников выбросов 211
Глава 6. Доменное производство 215
6.1. Расчет показателей доменного процесса 215
6.1.1. Расчет качественного и количественного состава доменной плавки 215
6.1.2. Расчет удельного выхода продуктов доменной плавки 227
6.1.3. Расчет энергоемкости производства чугуна 232
6.1.4. Характеристика источников выбросов доменного производства 233
6.1.5.0іході.і доменного производства 246
6.2. Оптимизация доменного производства 248
6.2.1. Влияние различный факторов на выход продуктов доменной плавки 249
6.2.2. Сокращение энергоемкости производства чугуна 252
6.2.3. Сокращение водонотребление в доменном производстве 256
6.2.4. Сокращение інлбросов при производстве чугуна 258
6.2.5. Уменьшение отходов доменного производства 267
Глава 7. Сталеплавильное производство 270
7.1. Определение показателей сталеплавильного процесса 270
7.1.1. Расчет качественного и количественного состава продуктов сталеплавильного процесса 270
7.1.2. Расчет удельного выхода продуктов сталеплавильного процесса 278
7.1.3. Расчет энергоемкости сталеплавильного процесса 279
7.1.4. Образование выбросов сталеплавильного производства 286
7.1.5. Водопотребление и стоки сталеплавильных цехов 295
7.1.6. Отходы сталеплавильного производства 296
7.2. Оптимизация сталеплавильного процесса 299
7.2.1. Повышение качества сырья 299
7.2.2. Выбор сталеплавильного агрегата 305
7.2.3. Снижение затрат энергии и воды 312
7.2.4. Сокращение выбросов сталеплавильного производства 316
Глава 8. Оптимизация жизненного цикла стати 322
8.1. Математическая модель жизненного цикла стали 322
8.2. Выбор оптимальной схемы металлургического цикла 322
8.3. Выбор сырья 323
8.4. Экономическая и экологическая эффективность внедрения природоохранных 329
мероприятий
Заключение 335
Список литературы
- Проблемы устойчивого развития украинской металлургической отрасли
- Энергетическое сырье металлургического производства
- Термодинамические условия и кинетические закономерности образования токсичных выбросов
- Расчет нагрева агломерируемого слоя
Введение к работе
Актуальность проблемы. Двадцатый век - век научно-технической революции - не только открыл человечеству новые возможности, но и привел к глобальному загрязнению окружающей среды. Под давлением демократических движений, развернувшихся в западных странах в 60-70 годы, здесь были приняты национальные природоохранные законодательства, вынудившие промышленные предприятия тратить значительную часть прибыли на внедрение природоохранных мероприятий. В это же время в мире наметился процесс глобализации мировой экономики, проводниками которой стали такие влиятельными международными организации как: Организация объединенных наций (ООН), Всемирная торговая организация (ВТО), Европейский Союз (ЕС) и Мировой и Европейский банки (МБ и ЕБ). В рамках этого процесса начал развиваться международный экологический менеджмент (МЭМ), призванный не только охранять природу нашей планеты от оскудения и загрязнения, но и защищать мировые рынков от дешевой продукции развивающихся стран, произведенной с минимальными затратами на охрану окружающей среды [1].
Значимым звеном МЭМ явился состоявшейся в июне 1992 года в Рио-де-Жанейро международный саммит, где была принята «Декларация по устойчивому развитию» и основополагающий документ: «Повестка дня 21 век», в которых были рассмотрены основные принципы развития экономики планеты в гармонии с окружающей средой и предложены показатели для оценки эффективности экологической политики национальных государств. Кроме того, в рамках этого проекта было предложено ввести международную сертификацию природоохранной деятельности предприятий по системе ИСО 14000, которая даст возможность оценить экологические показатели любого производства и обеспечивает эффективную управленческую систему для их совершенствования.
Проблема перехода на модель устойчивого развития поставила на повестку дня вопрос о переориентации национальных экономик па новую стратегию развития. Наиболее вероятным последствием этого процесса станет установление доли отдельных производителей и государств в мировой торговле, на основе соответствия технологических процессов производства той или иной продукции природоохранным стандартам ИСО 14000.
В Украине в первую очередь это коснется металлургической отрасли, устаревшие технологии которой, не смогут обеспечить соответствие требованиям международных экологических стандартов. Металлургическая промышленность является основой национальной экономики Украины. Экспорт продукции черной металлургии в настоящее время является главным источником поступлений в страну валютных средств. Несвоевременный переход
металлургических предприятий Украины на международные стандарты производства стали может подорвать экономическую базу национальной экономики в наиболее ответственный период ее развития.
Опыт промышленно-развитых стран показывает, что оптимальный путь перехода любой отрасли промышленности на модель устойчивого развития может быть выбран методом математического моделирования жизненного цикла продукции с определением влияния различных факторов на величину удельных экологических показателей производства. Как показал обзор литературных источников, в отечественной металлургической практике подобный способ поиска путей выхода из экологического кризиса до сих пор не применялся. Сдерживает использование этого способа недостаток теоретических положений и систематизированных экспериментальных даншлх расчета образования отходов металлургического производства (твердых, жидких и газообразных) исходя из качества сырья и применяемой технологии.
Цель работы - разработка теоретических основ оптимизации металлургической отрасли для обеспечения ее устойчивого развития и определение приоритетных направлений реконструкции металлургических предприятий Украины.
В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе рассмотрены и решены следующие задачи:
обоснована необходимость устойчивого развития металлургической отрасли Украины;
дана экологическая оценка качества применяемого металлургического сырья; предложена методика расчета образования и удаления отходов металлургического производства;
составлено математическое описание движения материальных потоков но всему жизненному циклу стали, дающие возможность рассчитать удельные экологические показатели производства металлургической продукции;
на основании численного исследования полученного математического описания установлено влияние различных факторов на экологические показатели металлургического производства и определен перечень необходимых мероприятий по реконструкции металлургической отрасли Украины, внедрение которых даст возможность достичь мировых экологических стандартов на способ производства стали и санитарных норм на качество окружающей среды для жителей горно-металлургических регионов страны.
Научная повита.
Впервые, исходя из концепции устойчивого развития, осуществлен комплексный подход к решению экологических проблем металлургической отрасли и дана оценка влияния качества сырья и технологии производства на величину удельных экологических показателей процесса получения стали и промежуточных продуктов металлургического передела.
На основании дистилляционного механизм образования плавильной ныли, дана новая трактовка известных из литературы экспериментальных данных о влиянии различных факторов на процесс пылеобразование при операциях с жидким металлом и показана зависимость этого процесса от содержания кремния в расплаве.
На основании термодинамических и кинетических уравнений теории металлургических процессов разработаны математические описания процесса образования основных видов газообразных токсичных выбросов (СО, SO2 и NOx) в металлургических агрегатах и установлена зависимость выбросов оксидов углерода и серы от дисперсного состава шихтовых материалов.
Получены новые математические зависимости энергопотребления и образования токсичных выбросов при агломерации шихты и определен оптимальный фракционный состав топлива (2-3 мм) и флюса (1-2 мм), обеспечивающий сокращение выбросов СО и SO2 из агломерируемого слоя и уменьшение энергозатрат на зажигание и спекание шихты.
Впервые доказана высокая экологическая эффективность всех технологических мероприятий, направленных па повышение прочности агломерата, а также внепечной де-сульфурации и дссиликонизации чугуна.
Впервые разработано математическое описание образования выбросов вредных веществ на литейном дворе, на основании которого рассмотрены варианты их сокращения.
Разработано математическое описание жизненного цикла стали на предприятии с полным металлургическим циклом, позволяющее рассчитать величину экологических показателей производства металлургической продукции (агломерата, кокса, чугуна и стали), исходя их характеристик металлургического сырья и технологии производства.
Впервые доказано, что при переработке отечественного сырья украинская металлургическая отрасль не сможет достичь мирового уровня экологических показателей производства, а значительное их сближение возможно только условии одновременного совершенствовании технологии производства продукции, использования высокоэффективных газоочистных сооружений и перехода всех производств на замкнутый цикл водоснабжения.
9. Впервые установлена количественная связь между ресурсными затратами и образованием отходов производства и доказана возможность решения экологических проблем металлургической отрасли за счет внедрения самоокупаемых программ энерго-рссурсосбсрсжения Практическая ценность.
Результаты диссертации представляют теоретическую и практическую значимость для разработки рекомендации по формированию национальной стратегии устойчивого развития металлургической отрасли Украины и страны в целом.
Разработанные методики и нормативная база в виде функциональных зависимостей основных экологических показателей от определяющих факторов могут быть использованы при обосновании различных хозяйственных решений в предпроектной и проектной практике предприятий, научио-исследовательскнх и проектных институтов. Математическое описание балансовых схем различных этапов металлургического нередела может использоваться природоохранными службами предприятия, города, региона и республики для разработки нормативов на выброс и сброс токсичных веществ и контроля за их соблюдением.
Результаты работы, касающиеся обоснования главных направлений реконструкции металлургического комплекса, обеспечивающих соответствие международным экологическим нормам, могут быть использованы при разработке перспективных планов развития металлургических комбинатов Приазовья и других металлургических предприятий Украины и стран СНГ.
Разработанные методики расчета и основные научные положения могут быть использованы в учебном процессе при подготовке инженеров- металлургов всех специализаций. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
теоретическим анализом и полнотой учета всего комплекса исследуемых проблем, связанных с устойчивым развитием металлургической отрасли;
практическим опытом применения научных положений в практике работы промьпплеи-ных, научно-исследовательских и административных природоохранных структур;
апробацией на научных конференциях, совещаниях, экспертных комиссиях, а при обоснованиях перспектив развития отрасли;
непосредственным участием автора в разработке экологических программ и природоохранных мероприятий для металлургических предприятий и металлургических центров.
Теоретической и методической основой исследования явились труды отечественных и зарубежных ученых по проблемам металлургического производства, устойчивого развития и охраны окружающей среды. В процессе исследования использованы официальные материалы министерств и ведомств Украины, специальная отечественная и зарубежная литература, данные статистической отчетности, оперативная и научная отчетность предприятий, а также материалы и документы международных конференций и договоренностей в области экологического менеджмента.
Апробация работы. Содержание и отдельные положения диссертационной работы докладывались на конференциях: ЕЭК ООН «Сокращение отходов металлургического производства», Будапешт (Венгрия), 1996 г. ; «Переработка промышленных и бытовых отходов», Мариуполь (Украина) , 1996 г. ; «Экология промышленного города», Мариуполь (Украина), 1997 г.; «Промышленная экология-97 », Санкт-Петербург (Россия), 1997 г; «Новое в экологии», Санкт-Петербугр (Россия), 1998 г ; ЕЭК ООН «Энергосбережене и чистые технологии», Линц (Австрия), 1998г ; «21 столетие - проблемы и перспективы освоения месторождений полезных ископаемых», Днепропетровск (Украина), 1998 г.; «Окружающая среда для Европы», Орхусе (Дания), 1998 г.; «Новое в экологии и БЖД», Санкт-Псрербург (Россия), 2000 г.; International workshop "Environmental Protection, Sustainability And Environmental Information: Regional Approaches In The Baltic Sea Region", St.-Petersburg (Russia), 2001 r, ; "Чистый воздух для Европы», Братислава (Словакия), 2001 г. ; «From transitional Economy to sustainable Development", Днепропетровск (Украина) 2001г.; Региональная конференция «Донбасс-2020: охрана окружающей среды и экологическая безопасность», Донецк (Украина), 2001 г.; «Тепло- и массообменные процессы в металлургических системах», Мариуполь (Украина), 2000 г.; «Environmental protection and sustainability in the Baltic sea region», Саик-Петербург (Россия), 2001 г.; « Металлургия XXI век», Москва (Россия), 2001г.; "Approaches to handling environmental problems in the mining and metallurgical regions of NIS countries", Mariupol, (Ukraine), 2002 г,; «Современные проблемы металлургического производства», Волгоград (Россия), 2002 г.; ЕЭК ООН «Реструктуризация промышленности в европейских странах», Женева (Швейцария), 2002 г. ; XII и XIII международные научно-практические конференции "Экология и здоровье человека, охрана водного и воздушного бассейнов, утилизация отходов», Казантип (Украина), 2003 и 2004 годы.
Результаты проведенных автором исследований включены в отчеты по 10 научно-исследоваїельским работам, выполненным в Приазовском государственном техническом университете и в «Украинском центре технической экологии»
Публикации. По теме диссертации опубликовано 72 научные работы. Основное содержание диссертации изложено в 32 публикациях их них 25 статей, 4 монографии, и 3 брошюры. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и списка использованной литературы на 175 наименовании. Общий объем работы составляет 347 страниц, н том числе, 64 рисунка и 56 таблиц.
Автор выражает благодарность научным консультантам Ю.С. Юсфину и П.С. Хар-лашину за ценные советы и помощь в выполнении диссертации.
Проблемы устойчивого развития украинской металлургической отрасли
Украина входит в десятку крупнейших производителей и экспортеров черного металла. В 1990 году в Украине было произведено 48,3 млн. тонн стали, основная часть которой была продана на внутреннем и региональном рынке стран социалистического содружества. В первые годы независимости республики производство украинского металла сократилось до 22 млн тонн [7-Ю]. Резкий спад производства черного металла на Украине произошел из-за практически полной остановки металл о потребляющей промышленности как на территории страны, так и на территории бывших партнеров по социалистическому лагерю. Начиная с 1998 года, производительность металлургической отрасли стала постепенно повышаться, и к концу 2004 году она составила 38,74 миллиона тонн стали в год. Потеря внутреннего и регионального рынка металлургической продукции привела к росту экспорта металла из страны, который на сегодня, по сведениям официальной статистики, составляет 80 % [10], а по оценке независимых экспертов, учитывавших объем производства продукции из собственного металла, уровень экспорта в стране превысил 97 %. Половина экспортных поставок приходится на азиатские страны и 22 % па Россию. До вступления стран Центральной Европы в ЕС, па их долю приходилось 23 % экспортных поставок в виде готового проката, в настоящее время в европейские страны поставляется преимущественно заготовка иод прокат, кво ты на поставку которого отсутствуют. Доля производства полупродукта в украинской металлургической промышленности достигла к 2004 году 42 % [ 5]. Переход на выпуск полупродукта значительно сокращает прибыль металлургических предприятий.
Высокая доля экспорта металла ставит украинские предприятия в жестокую зависимость от динамики развития мирового рынка, его требований к качеству и способу производства стальной продукции. Это создает нестабильную ситуацию не только для металлургических предприятий, но и для всей экономики страны в целом, так как металлургическая промышленность Украины вносит весомый вклад в валовой внутренний продукт страны и обеспечивает основную часть валютных поступлений в государственную казну. В условиях динамичного роста металлургической промышленности в странах Азии и в первую очередь в КНР, а также принятой Россией стратегии имиортозамещения на отечественном рынке металла и введения западными странами жестких квот на ввоз стального проката ставятся под сомнение перспективы сохранения в Украине существующих объемов продаж металла на внешнем рынке. Это свидетельствует о необходимости принятия срочных мер по повышению конкурентоспособности украинской стали и расширению внутреннего рынка.
Большие проблемы с реализацией украинской стали создает сортамент производимой продукции. Металлургические предприятия страны, ориентированные до 90-х годов на обеспечение металлом стран с плановой экономикой, имели строго установленный сортамент, не увязанную с требованиями внешнего рынка. Экономика стран социалистического содружества была ориентирована на развитие предприятий добывающей и тяжелой промышленности, а автомобильная промышленность - основной потребитель металла на внешнем рынке -была неразвита. В связи с этим украинские металлургические предприятия выпускали, в основном, сортовой прокат для строительства промышленных объектов, горячекатаный лист для производства сварных труб и нужд военно-промышленного комплекса, а также рельсы для строительства железных дорог. Доля производства товара повышенного спроса - конструкционного холоднокатаного листа с покрытием - была не велика и составляла всего 5 % [10].
Следуя требованиям внешнего рынка, большинство металлургических предприятий Украины осуществили сертификацию контроля качества стальной продукции по системе ISO 9000. Эта сертификация стала возможной благодаря тому, что существовавшая в странах Восточной Европы система контроля качества продукции, отвечала мировым стандартам. Однако, само качество производимой в Украине стали из-за устаревших материальной базы и технологий не соответствует современным требованиям, что снижает сирое на украинский черный металл.
Другой проблемой украинской металлургической промышленности является некачественное сырье. Использование кислых отечественных железных руд увеличивает ресурсо-емкость и отходность производства и повышает себестоимость стали. Истощение запасов коксующихся углей приводит к хронической нехватке кокса, а его низкое качество - к ухудшению качества стали и повышению затрат на переработку высокосернистого чугуна. Кроме того с каждым годом нарастает дефицит сырья, что связано с ориентацией украинских ГОКОВ на экспорт продукции на внешний рынок.
Прежняя ориентированность металлургической промышленности Украины на использование дешевого и экологически более чистого газообразного топлива, в условиях повышения цен на газ, увеличивает себестоимость производства стали и ставит металлургическую промышленность страны в зависимость от зарубежных поставок газа.
Увеличивает затраты на производство проката и морально устаревшая производственная база металлургических предприятий Украины, а также применение устаревших технологий производства. Большая часть основных фондов украинских металлургических комбинатов отслужила на сегодня 3-4 проектных срока эксплуатации. Особое беспокойство вызывает износ доменного и энергетического оборудования, а также эксплуатация мартеновского оборудования. В то время как в западных сталелитейных компаниях мартеновское производство отсутствует вообще, а Россия сократила выплавку мартеновской стали на 86 %, Украина снижает это производство не более чем на 0,8-1,2 % в год [ 10 ] и до сих пор почти половина стали по-прежнему, выплавляется в мартеновских печах.
Большую проблему для металлургов Украины создаст нехватка стального лома, который в последние годы активно экспортируется. В этих условиях энергоемкое мартеновское производство не может использовать свое единственное преимущество перед конвертерным - работать на высокой доле лома. При малой доле лома себестоимость мартеновской стали значительно превышает себестоимость конвертерной стали, в связи с чем эксплуатация мартеновских печей еще больше разоряет металлургические предприятия. Низка в нашей стране и доля производства электростали, которая во всем мире неуклонно возрастает и в большинстве стран составляет 15-35 %.
Энергетическое сырье металлургического производства
По мнению западных специалистов, на предприятиях с полным металлургическим циклом, включающим коксохимическое производство, единственным видом закупаемого энергетического сырья должен быть каменный уголь. Все остальные виды энергоносителей являются вторичными и образуются при переработке угля. До середины прошлого века, когда еще не были исчерпаны запасы богатой железной руды и качественного коксующегося угля, большинство металлургических предприятий мира работали только на угле и газообразных отходах производства ( коксовом и доменном газе ), используя их для выработки электроэнергии и пара. С ухудшением качества сырья энергоемкость доменного процесса возросла и возникла необходимость в интенсификации доменной плавки за счет вдувания через фурмы печи высококалорийных теплоносителей. На территории Восточной Европы, богатой запасами природного газа, для этих целей стали использовать природный газ, а Западной - мазут. В последнее время мазут все чаще заменяется пылеугольным топливом.
В таблице 2.6. приведены данные об использовании энергоносителей в металлургической промышленности Украины и стран ЕС [28]. Согласно этим данным удельные затраты энергии в основном металлургическом производстве Украины выше, чем па сталелитейных фирмах Западной Европы в агломерационном производстве в 1,3 раза , в доменном 1,15 раза , а в сталеплавильном 4,7 раза. Суммарная энергоемкость производства одной тоны жидкой стали в Украине превышает западноевропейский стидарт в 1, 22 раза. Энергозатраты в основном производстве на металлургических предприятиях стран ЕС на 96,9 % покрываются за счет сжигания кокса, угля и доменного газа, при низкой доле использования природного газа ( 0,73 %) и электрической энергии (2,38 %). На украинских металлургических предприятиях только 72,5% необходимой для основного производства энергии покрывается за счет технологического топлива. Доля природного газа в общем объеме энергопотребления почти в 40 раз выше, чем па европейских металлургических предприятиях, а доля расходуемой электроэнергии вдвое превышает западноевропейский стандарт. Таблица 2.6. Удельное потребление энергоносителей в металлургическом производстве
Основными характеристиками любого вида топлива являются, химический состав, теплотворная способность, прочность и удельные объемы выбросов в окружающую среду при его сжигании. Ниже приведены характеристики различных видов топлива применяемых в металлургической промышленности.
Уголь. Уголь в металлургической промышленности используется главным образом для производства кокса. В качестве дополнительного топлива уголь добавляют в агломерационную шихту. Пылеуголыюе топливо используется в доменном процессе и на теплоэлектростанциях металлургических комбинатов для выработки электроэнергии.
Качество используемых в металлургии углей оценивается такими показателями как способность к обогащению, содержание серы, влаги, летучих и прочность. Значение этих характеристик не только зависит от месторождения угля. На одном месторождении могут добываться различные по качеству угли. В связи с этим, в каждом конкретном случае, необходимо проводить химический анализ угля на содержание в нем различных компонентов. В каменных углях обычно содержится в процентах : углерода 78-92, серы 0,4-4 , влаги , золы 3, а летучих веществ 8-15.
Кокс. Качество кокс - топливо агломерационного и доменного производства, оказывает большое влияние на качество металлургической продукции и экологические показатели ее производства. Химический состав кокса приведен в таблице 2.7.
Коксик 97,0 3.00 Теплотворная способность кокса определяется, в основном, содержанием углерода. Его количество в различных сортах кокса колеблется в пределах 76-91,1%. Горючесть кокса определяется скоростью его взаимодействия с кислородом, а реакционная способность определяется величиной константы скорости реакции газификации. В общем случае, снижение горючести и реакционной способности кокса уменьшает энергоемкость доменного производства [28].
Все содержащиеся в коксе примеси ухудшают его качество. Оставшиеся в коксе после процесса коксования угля летучие вещества разрушают кокс в доменной печи , что не только приводит к ухудшению газопроницаемости доменной шихты и увеличивает затраты энергии на обеспечение движения газа в доменной печи, по и увеличивает вынос пыли из домны. Аналогичное влияние на ход доменной плавки оказывает низкая механическая прочность кокса и большое содержание в нем мелочи. За оптимальный размер частиц кокса для больших доменных печей принимают куски dm 40мм, для малых - dm 25мм.
Присутствие в коксе оксидов кремния не только повышает энергоемкость доменного процесса, но и увеличивает выход шлака. Влагосодержание кокса увеличивает расход энергии на ее испарение. Содержащаяся в коксе сера ухудшает все экономические и экологические показатели доменного процесса, а также является главной причиной больших выбросов SC»2 в агломерационном производстве.
Содержание в коксе таких газообразных вредных веществ, как цианиды, роданиды и фенолы на металлургических предприятиях стран СНГ не отслеживается. В то же время именно эти газообразные вещества, десорбируясь с поверхности частиц кокса в верхних горизонтах доменной печи, являются одной из основных причин повышенного содержания этих органических соединений в окружающей среде городов с металлургической промышленностью.
Содержание серы в коксе , полученном из углей донецкого каменноугольного бассейна, в 5 раз выше, чем , например, в коксе полученном из угля кузнецкого месторождения ( таблица 2.7). По мере выработки качественного украинского антрацита содержание серы в коксе постоянно повышается, а содержание углерода снижается. Вторичные энергоресурсы. К вторичным энергоресурсам металлургического производства относятся газообразные отходы коксового , доменного и конвертерного производства. Состав этих газов зависит от сырья и технологии основного производства. Химический состав этих видов топлива приведен в таблице 2.8. Самой высокой теплотворной способностью из технологических газов отличается коксовый газ, самой низкой -доменный.
Горючие газовые отходы металлургического производства, по мере их образования, собираются в газгольдеры, а потом используются в качестве газообразного топлива как в основном производстве, так и в энергетическом хозяйстве металлургического комбината. В странах ЕС сбору н утилизации подлежат все горючие отходы металлургического производства. Па Украине собирается и утилизируется только коксовый и доменный газ. Конвертерный газ либо дожигается в горловине конвертера, либо сжигается на свече.
Термодинамические условия и кинетические закономерности образования токсичных выбросов
Образование токсичных газов в металлургическом производстве является следствием протекания комплекса различных химических реакций. На количество образующихся газов оказывают влияние как термодинамические характеристики процесса, так количества вступающих в реакцию веществ, определяемые расходом реагентов и площадью раздела реагирующих фаз.
Согласно законам термодинамики вероятность возникновения той или иной реакции оценивается по величине изобарио-изотермического потенциала. Чем меньше величина этого потенциала , тем вероятнее протекание данной реакции. Значение этого потенциала рассчитывается но формуле AZ = -A + BT (3.15) где Л и В -коэффициенты зависящие от вида реакции; Т - абсолютная температура в зоне реакции.
Кинетические закономерности образования газообразных веществ зависят от состояния реагирующих веществ.
Реакции в газообразных и жидких средах.. Реакции в газообразных и жидких средах, в случае хорошего перемешивания реагентов, протекают как гомогенные, а при движении сред соприкасающимися, но нссмсшнвающимися потоками реакции протекают па границе раздела фаз.
Реакции в смеси газов лимитируются только подводом компонентов в зону реагирования. Скорость образования газообразных продуктов реакции в этом случае можно определить по величине расхода потока вещества, которое поступает в зону реакции в недостаточном количестве jn KqV , (3.16) где j - скорость образования вещества , в кг/с; л: - стехиометрический коэффициент устанавливающий пропорцию между реагирующим компонентом и продуктом реакции; q -доля реакционного газа в газовой смеси ; V - расход газовой смеси.
В случае движения сред в виде двух соприкасающихся, но не смешивающихся потоков химическое взаимодействие будет происходить на границе их соприкосновения, куда транспорт реагирующих веществ будет осуществляться путем диффузии через две ламинарные пленки потоков. Определим скорость переноса одного из реагирующих веществ из первой среды к границе раздела фаз как Jx=FPx Cx_,-CXp) , (3.17) где F-площадь контактной поверхности; /?, - коэффициент массопереноса вещества через ламинарную пленку первой среды ; См и Ср -соответственно концентрация реагирующего вещества в первом потоке и на границе раздела фаз. Скорость превращения веществ на реакционной поверхности будет происходить но закону действующих масс Ji=FkxClp , (3.18) где кх - константа скорости химической реакции. Далее прореагировавшее вещество уже в виде соединения перейдет диффузионным путем во вторую среду и поток его будет равен j\=kF/J2{Cip-Cn) , (3.19) где к-стехиометрический коэффициент; /?2 -коэффициент массопереноса продукта реакции через ламинарный слой второй среды; С - концентрация первого вещества во второй среде. При стационарных условиях массообмена величина этих потоков будет равна и при совместном решении уравнений (3.17), (3.18) и (3.19), получим скорость превращения реагирующего вещества в виде j\=FK,(C -C 2) , (3.20)
В этом уравнении К коэффициент массопередачи от одной среды к другой рассчитывается как А К кхрг С помощью уравнения 3.20. можно рассчитать скорость превращения любого из реагирующих веществ, а затем с помощью стехиометрического коэффициента реакции рассчитать образование ее продуктов.
Топохіїмические реакции. Реакции, протекающие на границе газ- твердое, или жидкость -твердое называются топохимическими реакциями. Главной особенностью взаимодействия куска твердого материала с реакционной средой является сжимающийся в ходе процесса фронт реакции, в результате чего, скорость процесса переменна во времени. Второй особенностью топохимических реакций , протекающих в слое твердых частиц является зависимость процесса взаимодействия от их фракционного состава.
Протекание реакций в системе газ- твердое тело складывается из следующих этапов: транспорта газообразного реагента из потока через ламинарную пленку к поверхности частицы; диффузии окислителя по порам образовавшегося продукта реакции к фронту горения; химического взаимодействия газообразного и твердого тела в зоне реакции и обратного транспорта газообразных продуктов реакции в газовый поток.
Рассмотрим взаимодействие отдельного сферического куска твердого тела с реакционными компонентами внешней среды, теория которого изложена ними в работе [45]. Массоперенос реагирующего газа через ламинарную пленку к поверхности твердой частицы, в том случае, если размер частицы не меняется в ходе реакции, описывается уравнением J = Wfl(C0-C,) (3.22)
В этих уравнениях j - поток реагента (кг/с); ; го - исходный радиус частицы; /?-коэффициент внешнего массобмена; Со и Сг - соответственно концентрация газового реагента в потоке среды и на поверхности частицы. Внутренняя диффузия реагента по порам продуктов реакции описывается уравнением Л = АтггэЩ- , (3.23) иг где г — радиус фронта химической реакции; D - коэффициент диффузии; С -текущая концентрация реакционного газа в газовой фазе. Коэффициент диффузии газообразного вещества рассчитывается по формуле Г j \" (3.24) D = D0 .273 j где D0- коэффициент диффузии при нормальных условиях; Т-абсолютная температура смеси газов; п-коэффициент. Скорость химического взаимодействия газа с твердым телом опишется уравнением Л=-4лг2МС,-С/) , (3.25) где Сги Сг -соответственно концентрация газа в газовом потоке и равновесная концентрация реакционного газа в данных условиях; кх— константа скорости химической реакции, определяемая по формуле kx=k„cxp( ) , (3.26) где kox-константа скорости химической реакции при нормальных условиях; Е-энергия активации; R-ушіверсальная газовая постоянная. Скорость превращения реагирующего с газом твердого вещества опишется уравнением вида h= 2qp4 r- , (3.27) (1т где q - доля реакционного компонента в твердом теле; рч ; т -время взаимодействия.
Расчет нагрева агломерируемого слоя
Под предельно допустимыми концентрациями (ПДК) загрязняющего вещества в странах СНГ понимают отнесенную к определенному времени максимальную концентрацию этого вещества в атмосферном воздухе, которая при периодическом или постоянном влиянии на человека и окружающую природную среду, не оказывает па них вредного воздействия в течение всей жизни человека. Различают два вида ПДК: максимально разовую, где концентрация усредняется за временной интервал 20 мин. и среднесуточную, где временной интервал осреднения составляет 24 часа [64] Значения этих стандартов регламентированы списком предельно допустимых концентраций (ПДК) или ориентировочных безопасных уровней воздействия (ОБУВ) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест разработанным министерством здравоохранения СССР и признанных в настоящее время на территории большинства стран СНГ [65]. При разработке этих стандартов исходили из показаний клинических испытаний, принимая за величину предельно допустимых значений такие концентрации, которые полностью предотвращают риск здоровью человека.
В странах ЕС и США при установлении ПДК предполагали только сокращение риска и обеспечение определенной степени защищенности человеку и природе. При разработке этих стандартов ориентировались не только па клинические исследования и медицинские
противопоказания, но и на возможность обеспечения нормативов в данный момент времени при данных технологических и экономических возможностях. Определенные таким образом стандарты рассматриваются как первичные, так называемые стандарты «яркой линии», а в качестве долгосрочной цели принимаются вторичные стандарты, полностью предотвращающие риск здоровью населения. Помимо этого отличия в нормировании качества атмосферного воздуха в странах Западной Европы отсутствует 20 минутный интервал осреднения концентраций, но существует стандарт на среднегодовую предельно допустимую концептрацшо.[ 66 ]. В таблице 1 приведены значения ПДК для так называемой "нетоксичной ныли" и основных газообразных загрязняющих веществ СО , SO2 и Nox, принятых в странах СНГ, ЕС и США. Под нетоксичной пылью в нормативных природоохранных документах СНГ [65] принимают пыль содержащую менее 20 % кремния. К числу нетоксичной пыли обычно относят основную часть металлургической пыли, так как установленных значений ПДК для конкретных видов пыли металлургического производства в этих документах нет. Исключение составляют данные об ОБУВ для аглодоменной пыли равный 0,15 мг/м3.
Величина среднесуточной концентрации пыли в США определяется по содержанию в ней частиц размером менее 10 мкм (РМ10) , т. к. на основании последних исследований установлено, что именно эти частицы глубоко проникающие в дыхательные пути оказывают негативное влияние на организм человека .
Согласно данным таблицы 3.7 вся металлургическая пыль, выбрасываемая в атмосферу, может быть классифицирована как пыль состоящая из частиц менее 10 мкм. Сталеплавильная пыль, в основной своей массе, состоит из мелких частиц. Пыль аглодоменного производства имеет такой состав на выходе из трубы, т. к. крупные фракции этой ныли улавливаются системами газоочистки, имеющим КПД не менее 90%. В тоже время классификация металлургической пыли как «нетоксичная» неправомерно, т. к по химическому составу вся металлургическая пыль состоит, в основном, из оксидов железа и кремния. Причем содержание оксидов кремния действительно ниже 20 %, что и дает основания при определении ПДК пользоваться значениями для нетоксичной пыли. При таком подходе токсичность оксидов железа- основных составляющих металлургической пыли вообще не учитывается. В то же время согласно нормативным данным [ 52 ] железо в виде оксидов, является веществом более токсичным, чем оксиды кремния. Среднесуточное ПДК на оксиды железа в пересчете на железо общее 0,04 мг/м , в то время как для пыли, содержащей более 70% оксидов кремния ПДКсс=0,05 мг/м3.
Если даже принять, что степень токсичности у оксидов кремния и железа одинакова, то суммарное их количество во всех видах металлургической пыли превышает 70%, а, следовательно, если строго следовать нормативам, принятым на территории стран СНГ, то и среднесуточная ПДК для металлургической ныли должна быть равна 0,05 мг/м3. Это значение более, чем в три раза превышает западные стандарты и применяемое у нас на практике значение стандарта на содержание металлургической пыли в атмосферном воздухе. В нормативах СІІІЛ и стран ЕС это значение соответствует предельно допустимой среднегодовой концентрации пыли [66].
Значения ПДК для основных загрязняющих веществ, являющиеся нормативами качества атмосферного воздуха приведены в таблице 3.8. Как следует из этой таблицы, нормы на среднесуточную концентрацию ныли в приземном слое атмосферы везде одинаковы. Нормирование содержания СО в приземном слое атмосферы имеет место только в странах СНГ. За рубежем номируется содержание СО только на рабочих площадках, т. к.
СО относят к веществам нестойким - быстро окисляющимся в атмосферном возухс до СОг. Среднесуточные ПДК на оксиды серы в приземной слое атмосферы в странах СИГ в 2,5 -7 раз выше западных нормативов, а максималыюразовый ПДК на оксиды азота в странах СНГ ниже установленой среднегодовой ПДК но NOx в западных странах. Однако подобное положение отнють не свидетельствует о том , что действующие на территории западных стран нормативы на качество атмосферного воздуха менее жесткие, чем в странах СНГ. Определение нормативов на выброс, согласно законодательству стран СНГ, производится по величине максимальноразовой концентрации, в то время как в западных странах при нормировании выбросов исходят из среднесуточной и среднегодовой концентрации выбросов, значения которых но большинству компонентов значительно ниже норм установленных для максимального содержания загрязняющего вещества.
Учитывая стремление Украины к общеевропейской интеграции, ей придется привести действующие на се территории нормы ПДК в соответствие с нормами, действующими иа территории стран ЕС. В связи с этим при выборе тех или иных природоохранных мероприятий направленных на снижение выбросов вредных веществ в атмосферу следует ориентироваться не на национальное , а общеевропейское законодательство [67].
Предельно допустимые выбросы (ПДВ). «Под величиной предельно допустимого выброса (ПДВ) понимают научно-технический норматив установленный при условии, что содержание загрязняющего вещества в приземном слое атмосферы от источника выброса или их совокупности с учетом перспективы развития предприятия не превышало бы нормативов экологической безопасности атмосферного воздуха, определяемілй предельно-допустимой концентрацией загрязняющего вещества в атмосферном воздухе для людей и объектов окружающей среды». Величину ПДВ определяют расчетным путем с помощью методики рассева выбросов промышленных предприятий в атмосферном воздухе ОНД- 86 [34]. Данная методика дает возможность рассчитать максимальную концентрацию вредного вещества в приземном слое атмосферы, имеющую место при неблагоприятных метеорологических условиях и на определенном расстоянии от источника выброса. Для точечного источника (одной трубы)
