Технология и экологическая безопасность мартеновского производства на ЗАО "Макеевский металлургический завод"

Конечный шлак на 85-95% состоит из SiO2, А12О3 и СаО и содержит, %:38-42 SiO2, 38-48 СаО, 6-20 А12О3, 2-12Мg0, 0,2-0,6 FеО, 0,1-2 МnО и0,6-2,5 серы (в основном в виде Са). Температура шлака несколько выше температуры чугуна и составляет1400-1560°С.

Количество шлака на 1 т выплавляемого чугуна (выход шлака) колеблется в пределах от330-400 кг до 600-900 кг. Это количество,как и состав шлака, оказывает большое влияние на ход плавки и конечные показатели процесса. В условиях Макеевского металлургического завода этот показатель равен 468-550 кг шлака на тонну чугуна.

А ценность шламов состоит в том, что шламы,после своего основного назначения еще могут быть утилизированы и принести дополнительную выгоду предприятию.Отделение подготовки к утилизации железосодержащих шламов работает последующей схеме: шламы из радиальных отстойников после сгущения до 600 г/л поступают в вакуум-фильтры,а после них (с влажностью36%) в сушильные барабаны; затем шламы с влажностью10% подаются на аглофабрику.Известно, однако,что использование шламов в качестве компонента аглошихты осложняется нестабильностью их химического и гранулометрического состава, что требует разработки технологии рекуперации этих материалов в каждом конкретном случае. Использование в аглошихте таких тонкодисперсных материалов,как шламы сталеплавильного производства,приводит к ухудшению газопроницаемости спекаемого слоя и вследствие этого к снижению производительности агломашины.Кроме того,увеличивается вынос весьма мелких частиц(размером <10мкм), которых в шламах содержится до 30-40%, что значительно снижает эффективность работы газоочистных установок.

Химический состав пыли изменяется в широких пределах.Например, при выплавке предельного чугуна и работе с повышенным давлением в печи пыль содержит, %:

 

SiO2 – 14.6; MgO –4.35; Al2O3 – 4.35;

CaO – 11.85; S – 0.74; MnO – 3.75, остальные– оксиды железа.

 

Дисперсный состав пыли также зависит от многих факторов и может колебаться в широких пределах:Размер частицы,мкм 200 200-100 100-60 60-20 20-10 10-1. Массовая доля, %: 34.5 12.3 19.0 25 7.5 1.7

На литейном дворе пыль и газы выделяются в основном от леток чугуна и шлака, желобов участков слива и ковшей. Удельные выходы вредных веществ на 1 т чугуна составляют:400-700 г пыли, 0.7-1.15 кг СО, 120-170 г SO2. Максимальное количество пыли и газов выбрасывается во время выпуска чугуна и шлака.Пыль и газы удаляются частично через фонари литейного двора (около160 г пыли на 1 т чугуна), частично с помощью аспирационных систем с очисткой пыли перед выбросом в атмосферу преимущественно в групповых циклонах.

На сегодняшний день по заводу выделено 52 вида различных отходов. Сейчас проблема утилизации отходов очень актуальна.

В частности,шлак цветного литья отправляется на предприятия цветной металлургии,т.к. в нем содержится большое количество цветных металлов;вся колошниковая пыль направляется на цементные заводы; окалина прокатного производства отправляется на аглофабрики,мартеновский шлак используется при строительстве дорог.

В настоящее время на Макеевском металлургическом заводе приходится около 10% общегородских выбросов в атмосферу.Существуют несколько направлений снижения вредного воздействия предприятия на окружающую среду:

Вывод из эксплуатации действующих технологических агрегатов;

Строительство пылигазоочисных сооружений на эксплуатируемых агрегатах;

Реконструкция агрегатов с внедрением новейших технологий и образования,снижающих выбросы.

Структура выбросов завода показывает,что вредными основными веществами является пыль и оксиды азота.Если рассматривать выбросы по видам производства,то на мартеновское приходится более 40%.

Наиболее приемлемым направлением работы по снижению выбросов является реконструкция агрегатов с внедрением новейших технологий.

Расположение завода в центре густонаселенного города ставит еще одну важную проблему –складирование отходов производства:шлаки, шламы,пылевидные отходы и т.д.Большее внимание уделено утилизации железосодержащих отходов: калашниковая пыль, шламы доменного производства,пыль сухих газоотчисток ЭСПУ, первичная и вторичная окалине цехов.

Переработка отходов производства связана с капитальными вложениями,поэтому инструментом ее управления должны стать не контроль,а наказание,а меры рыночного экономического стимулировано ресурсосберегающих производств и получения экологически чистых продукций.

2. Специальная часть 

 

2.1 Технология улавливания  и обеспыливание отходящих мартеновских газов

 

В мартеновских цехах производится более 50 % всей выпускаемой стали.

Количество,состав и параметры дымовых газов.В мартеновской печи дымовые газы образуются в результате сгорания топлива,нагрева и разложения сыпучих материалов и окисления углерода шихты(углекислый газ и оксид углерода).

Как показывают промышленные исследования,на современных мартеновских печах количество продуктов сгорания перед газоочисткой из-за присосов по газовому тракту оказывается в 1,8—2,0 раза больше количества газов, образующихся в печи. Для печей,работающих с подачей мазута(20—50 % по теплу),количество продуктов сгорания увеличивается на 5%. Вследствие увеличения присосов к концу кампании объем уходящих газов увеличивается на 10—15%.

Температура газов после регенераторов—в среднем 600—700 °С, в период заливки чугуна на короткое время она повышается до 700—800 °С.

Средний состав уходящих продуктов сгорания печей,работающих на дутье, обогащенном кислородом, % (объемные):

10,5—15,1 СО2: 16—16,5 Н20; 62,3—66,1 N2; 6,5—7,1 О2;следы S02.

Уходящие газы мартеновских печей содержат большое количество пыли, выделение которой по ходу плавки (рис. 1а) неравномерно.Максимальное пылевыделение наблюдается в период плавления при продувке ванны кислородом.

В начальный период плавки пыль крупная,она состоит из частиц руды,известняка и некоторых других компонентов.Пылеобразование связано с растрескиванием шихты при нагреве,а также с угаром оплавляемого металла.

 

Рис. 1 (а,б). Изменение запыленности газов мартеновской печи:

 

В период плавления при продувке ванны кислородом выделяется большое количество мелкодисперсной пыли (размер частиц <1 мкм).Большинство исследователей считают, что основной причиной образования пыли (бурого дыма) является испарение металла в зонах высокой температуры с последующим окислением и конденсацией в атмосфере печи. С увеличением удельного расхода (интенсивности продувки) кислорода количество выделяющейся пыли резко увеличивается(рис. 1, б).

Интенсивность пылевыделения существенно снижается с рассредоточением подачи кислорода.Оптимальными считают шестисопловые фурмы с наклоном сопел 20—30° по отношению к горизонту.

Для снижения температуры в зоне продувки в струю кислорода иногда добавляют топливо (природный газ или мазут),сыпучие материалы(железорудный концентрат или известь)или просто воду. При этом,выбросы пыли заметно сокращаются(на 20 - 30 %).

Основную часть пыли составляют оксиды железа,количество которых достигает65—92%. Примерный состав мартеновской пыли перед газоочисткой при работе печи с продувкой кислородом, %:

92,7 Fe2O3; 0,9 А12О3; 1,65 СаО; 0,9 MgO; 1,1 МnО; 0,8 SiO2.

 

Дисперсный состав пыли во многом зависит от интенсивности продувки ванны и для средних условий может быть выражен следующими цифрами:

Размер частиц, мкм <1 1—5 >5

Содержание, % 60 34 6

Обработка этих данных показывает,что dm = 0,8 мкм; qч = 3,1.

Пыль,уносимая из печи, в значительной степени оседает по газовому тракту: 50—60 % в шлаковике,15—20 % регенераторах,10—15 % в котле-утилизаторе.Таким образом,запыленность газа после котла-утилизатора(перед газоочисткой)составляет10—15% содержания пыли в газах,выходящих из печи.

Удельное электрическое сопротивление пыли составляет107—1010 Ом*см2. В уходящих газах мартеновских печей, кроме пыли, содержатся вредные газообразные компоненты:30—50 мг/м3 оксидов серы и 200—400 мг/м3оксидов азота.

Из отходящих газов мартеновских печей газообразные компоненты в настоящее время не улавливаются.

Практически за всеми крупными мартеновскими печами установлены котлы - утилизаторы,в которых за счет выработки водяного пара температура отходящих газов снижается с600— 700 до 220—250 °С.Котлы-утилизаторы мартеновских печей типизированы и изготовляются в серийном порядке котлостроительными заводами.

Для очистки отходящих газов мартеновских печей применяют в основном установки двух типов: сухой очистки в электрофильтрах и мокрой очистки в скрубберах Вентури (рис.2а, б). Эффективность обоих аппаратов приблизительно одинакова: и в том, и в другом случае можно снизить концентрацию пыли в отходящих газах до 100 мг/м3,что соответствует санитарным требованиям.

Наиболее подходят для очистки мартеновских газов электрофильтры типа ЭГА, обеспечивающие при скорости газов 1 —

 

Рис. 2,Применяемые схемы охлаждения и очистки газов мартеновских печей:

а — мокрая очистка в скрубберах Вентури.; б —сухая очистка в электрофильтрах.

1 — мартеновская печь; 2 — котел-утилизатор;3 — трубы  Вентури;

4 — каплеуловитель;5 - дымосос; 6 —дымовая труба;7 — сухой электрофильтр.

 

Таким образом, в современных условиях для очистки отходящих газов мартеновских печей следует рекомендовать электрофильтры типа ЭГА. Только в тех случаях,когда электрофильтр из-за отсутствия места установить невозможно,следует применять скрубберы Вентури, из которых наиболее подходящими являются трубы Вентури с регулируемым сечением прямоугольной горловины,снабженные каплеуловителями с завихрителем.

 

2.2 Аппараты и схемы  очистки газов

 

Очистные сооружения мартеновского цеха.

В цехе установлены мартеновские печи емкостью по 250 и 500 т. с основной футеровкой.Печи однованновые,отапливаются смесью природного и коксового газа с добавлением мазута. Особенностью печей является наличие реформаторов,в которых часть природного газа и весь мазут подвергаются разложению с целью получения сажистого углерода,обеспечивающего высокую светимость факела.

Основные размеры:

• площадь пода на уровне порогов завалочных окон 52 м2;

• глубина ванны 1 м;

• высота свода под уровнем порогов завалочных окон 2,9 м;

• центральный угол свода 86°;

• полезный объем шлаковиков63 м3;

• объем воздушной насадки регенератора190 м;

• высота дымовой трубы75-80 м.

Технологическая схема очистки мартеновских газов приведена на рисунке 3.

 

1 - рабочее пространство;2 - шлаковики;3 - регенераторы;4 - воздушные  клапаны; 5,9- дымовые шиберы; 6, 7, 8 - газовые  клапаны; 10 - вентиляторы;11 - дымовая  труба.

 

Конструкция мартеновской печи: свод печи,правая и левая головки, правый и левый регенераторы для подогрева воздуха и газа,система шиберных затворов, дымовая труба. В верхнем строении печи имеется 5 завалочных окон. В задней стенке имеется сталевыпускное отверстие и желоба для заливки жидкого чугуна в печь.

Рабочее пространство печи ограничено снизу подом,с боков - поперечными и продольными откосами, передней и задней стенкой,а сверху перекрыто сводом. Нижняя часть рабочего пространства от пода до уровня порогов рабочих окон является ванной, в которой находятся жидкий металл и шлак.

Нижнее строение печи состоит из шлаковиков,регенераторов,системы боровов с перекидными и регулирующими газовые потоки устройствами.Шлаковики служат для осаждения в них большей части пыли,содержащейся в продуктах сгорания. Пыль состоит из основных оксидов,в том числе60-80% оксидов железа,и образуется из частиц, выносимых из жидкой ванны,а также из добавляемых в печь сыпучих материалов- железной руды,извести и другое.В шлаковиках осаждается до 75% пыли.

Из шлаковиков отходящие газы с температурой1500-1600 °С попадают в насадки регенераторов.

Для управления движением газов и осуществления«перекидок»в боровах и газоходах устанавливают систему шиберов,клапанов, дросселей.Из боровов дымовые газы поступают в дымовую трубу.

При нагреве поступающих в печь газа и воздуха, в регенераторах обеспечивается достаточно высокая температура факела (> 1800 °С).Чем выше удается повысить температуру поступающих в печь газа и воздуха, тем выше температура факела и тем лучше работает печь.

Для интенсификации процесса горения топлива используют турбинный воздух и воздух,обогащенный кислородом.Температура нагрева воздуха в насадках регенераторов1100-1200 °С.

 

2.3 Расчёт полого скруббера

 

Расчётом полого скруббера определяют его объём, а следовательно,и расход воды.Количество тепла Q, кВт, которое газ должен отдать в процессе своего охлаждения до заданной температуры,определяют по формуле:

 

Q=Vо[ссм(t –t )+f1(I1п–I2п),

Где Vо –количество сухого газа при нормальных условиях, подлежащее охлаждению,мі/с;

Ссм - объёмная теплоёмкость газа при нормальных условиях, кДж(мі*˚С);

t1 и t2 – температура начального  и конечного состояний газов˚С;

I1п и I2п –энтальпия  водяного пара в газе соответственно  до и после охлаждения,кДж/мі;

f1 – влагосодержание газа  до охлаждения,кг/мі.

Начальную и конечную энтальпию водяного пара,кДж/мі,рассчитывают по формулам:

 

I1п = 2480 + 1,96 t1

I2п = 2480 + 1,96 t2

 

Пренебрегая теплопотерями в окружающую среду, полезный рабочий объём скруббера, мі,рассчитывают по формуле:

 

Vскр = Q/kΔt,где

 

k – объемный коэффициент теплопередачи в скруббере,Вт/(мі*˚С);

Δt– средняя разность температур газа и жидкости,˚С.

Среднюю разность температур газа и воды в сруббере (газ и вода движутся противотоком)определяют из выражения:

 

Δt = [(t1 - tk) – (t2 - tн)]/2,3lg(t1 - tk)/(t2 -tн), где

 

tk и tн –начальная и конечная температура воды, ˚С.

Рассчитаем полый скруббер,где

V0 = 120 тыс мі/ч; t1 = 225 ˚С, t2 = 100 ˚С;

 

f1 = 70 г/мі;27,6% СО2, 63% N2, 9,4% О2; давление  газа перед скрубберомρ = 49000 Па;барометрическое давление ρбар= 101325 Па; температура воды, поступающей в скруббер, tн= 30 ˚С.

1) найдём количество сухих  газов при нормальных условиях:

 

V0 сух = V0 вл* 0,804/(0,804 + f1)

V0 сух = (120000/3600)*0,804/(0,804 + 0,07) = 30,66

 

2) Рассчитаем объёмную  теплоёмкость газа при нормальных  условиях:

 

N2 = 1,040*1,25 = 1,29 кДж(мі*˚С)

СО2 = 0,836 * 1,963 = 1,64 кДж (мі*˚С)

О2 = 0,911*1,429 = 1,30 кДж(мі*˚С)

 

Тогда Ссм = 1,25*0,63 + 1,64*0,276 + 1,30*0,094 = 1,36кДж (мі*˚С)

3) Найдём начальную и  конечную энтальпию водяного  пара:

 

Q=Vо[ссм(t <="">