Махортова Юлiя Викторiвна

РЕФЕРАТ

Актуальність теми

Актуальність даної теми полягає в тому, що пропоновані для впровадження в електросталеплавильне виробництво технологічні методи спрямовані на ресурсозбереження й енергозбереження, а також на зменшення шкідливих викидів виробництва. Вони дозволять знизити витрати паливних ресурсів, поліпшити й прискорити процес плавління, скоротити викиди пилу й токсичних з'єднань. Це приведе до зниження собівартості продукції й зниженню шкідливого впливу на навколишнє природне середовище.

Мета і задачі роботи

Метою даної роботи є:
— зниження енергетичних витрат електросталеплавильного виробництва;
— розробка ресурсозберігаючих технологій;
— зниження шкідливого впливу електросталеплавильного виробництва на навколишнє природне середовище.
Задачі:
— пошук та вдосконалення енергозберігаючих технологій;
— пошук та удосконалення ресурсозберігаючих технологій;

Новизна роботи

Новизна роботи полягає в тіму, що пропонуються для впровадження в электросталеплавильное виробництво сучасні технології, які дозволяють досягти планованих цілей і завдань цієї роботи.

Практична значимість результатів

Результат даної роботи — розробка технологічних методів для впровадження в умовах электросталеплавильного виробництва. Використання цих методів дозволить підприємству організувати більше ефективне виробництво стали, забезпечивши мінімальний негативний вплив виробництва на навколишнє середовище, дозволить знизити можливі екологічні платежі за викиди, знизить собівартість продукції за рахунок зниження енерговитрат і зменшення екологічних виплат, дозволить підвищити конкурентоспроможність продукції й збільшити експортні можливості продукції. Результати даної роботи можуть бути застосовані для умов будь-якого заводу.

Огляд стану питання

Відомо, що економіка України має низький рівень самозабезпечення енергетичними ресурсами при реальній перспективі різкого підвищення цін на енергоносії. Сьогодні наша країна посідає перше місце у світі серед промислово розвинених держав по витратах енергії на одиницю виробленого валового продукту. Очевидно, що такого, як у нас, марнотратної витрати енергетичних і матеріальних ресурсів не витримає економіка жодної країни.
Заходу для тепло- і енергозбереження в металургії можна розділити на глобальних, потребуючих багатомільйонних інвестицій і досить тривалого часу для впровадження, і на порівняно недорогі, доступні для масового застосуванні, швидко реалізовані й швидко окупаються.
Хоча в Росії стали в цілому виробляється у два рази більше, ніж в Україні, але в мартенівських печах виплавляється приблизно в 1,5 рази менше, а в електричних дугових сталеплавильних печах (ДСП) — в 4 рази більше, ніж в Україні. Тобто частка електросталі становить приблизно 23 — 25% від загального виробництва. Втім, обсяги її постійно наростає й до 2015- му повинні досягти 25 млн. тонн у рік (32 — 35%).
Головне в стратегії розвитку металургії Росії полягає у випереджальних темпах будівництва нових металургійних міні-заводів, що переплавляють металобрухт у ДСП. Компактні міні-заводи зводяться в "неметалургійних" регіонах, поблизу великих споживачів готової продукції, зокрема арматур для будівництва, і центрів заготівлі сталевого лома, що гарантує забезпечення цією сировиною электросталеплавильного виробництва.[1]
На Україні, у районі Білої Церкви, почалося будівництво сучасного энергоэкономного сталепрокатного міні-заводу. Це унікальний техніко-економічний проект багаторазово реалізований у світовій практиці. Більше 15 років тому ці технологію й устаткування можна було побачити на міні-заводів у Ньюкоре (США) і «Арведи» поблизу Милана (Італія). Ці підприємства сусідять із житловими масивами. Їхні корпуси зовні схожі на будинки більших медичних центрів, лікарень. З одного боку — у ворота заїжджають вагони з металобрухтом, із протилежної — ті ж вагони виїжджають уже з готовою продукцією — прокатом. Робітники усередині заводу ходять у білих халатах. Та й назвати їхніми робітниками в нашому розумінні не можна. Вірніше говорити про технічний персонал, що управляє виробничим процесом. Весь технологічний процес і встаткування комп'ютеризовані й автоматизовані. Зрозуміло, що про яке-небудь відчутне забруднення атмосфери, навколишнього середовища мова не йде.
Сталепрокатний завод у Білій Церкві ще більш сучасний, оскільки технології за 20 років були значно вдосконалені. Окремі технологічні рішення дійсно унікальні, викликають у фахівців без перебільшення захват і замилування. Про забруднення навколишнього середовища тут говорити взагалі не доводиться — проект це виключає. Проект будівництва Білоцерківського сталепрокатного заводу не просто екологічно безпечний — він зразковим, відповідним вищим світовим стандартам.

Основні дослідження й результати

Электросталеплавильное виробництво є одним з виробництв, що викидають велику кількість пилу інших забруднюючих речовин. Величина цих викидів залежить від застосовуваної сировини, технологічного режиму плавки, використання інтенсифікаторів і способу відводу газів від печі.
Вихід технологічних газів з электросталеплавильной печей визначається згорянням вуглецю шихти й електродів, розкладанням необпаленої частини вапняку й підсмоктуванням атмосферного повітря в піч.
Кількість газів, що відходять, дорівнює 40 — 150 м³/год на 1 т коші без продувки киснем і 200 м³/год при продувці
Фізико-хімічні процеси, що протікають в електропечах при виплавці різних марок сталей різні, вони визначають склад шкідливих викидів.

Пилові викиди. Мелкодисперсний пил утвориться в результаті випару металу в районі дії електричних дуг, пари якого конденсуються й взаємодіють із киснем і азотом наявними в робочому просторі печі. Більші фракції пилу утворяться зі шлакообразующих і раскислювачей.
У період розплавлювання чистої й великогабаритної шихти утвориться невелика кількість пилу. У період кипіння викиди досягають максимальних значень у результаті дії кисневих струменів і активного кипіння металу, у період доведення викиди знижуються до мінімуму.
Винос пилу становить 10 кг/т сталі, виплавлюваної без продувки киснем, і 20 кг/т стали із продувкою. У першу половину плавки виділяється до 75% всього пилу. При виплавці стали на брудному, іржавому й малогабаритному скрапі кількість пилу збільшується.
При продувці киснем кількість пилу різко збільшується. Приведемо ряд даних з різних заводів: на одному - середній розмір часток пилу дорівнює 0,06 мкм, в іншому випадку пил містив 85% часток із фракцією менше 4 мкм, у третьому випадку понад 95% пилу мали розмір менше 0,5 мкм.[2]
Пил що викидається электросталеплавильными печами, складається переважно з оксидів заліза. У період розплавлювання сумарна кількість оксидів заліза становить близько 80%, у період кипіння (при продувці киснем) 62%, у період доведення — 53%.
У період розплавлювання в пилу з'являються оксиди марганцю (приблизно 11%), у період доведення — оксиди кальцію (6%) і магнію (9%).

Викиди шкідливих речовин. Висока температура й дія електричної дуги в робочому просторі печі викликає утворення оксиду вуглецю, оксидів азоту й сірки, ціанідів і фторидов, які викидаються з печі разом з газами.

Гази, що Відходять з ДСП — вибухонебезпечні. Склад газу %: CO — 15-25 %, H₂ — 0,5-3,5; CO₂ — 5-10; N₂ — 61-70; O₂ — 3,5-10.

Неорганізовані викиди.Кількість неорганізованих викидів з дугових электросталеплавильных печей точному обліку не піддається через наявність неконтрольованих отворів. Загальна кількість газів неорганізованих викидів становить до 40% усього кількості технологічних газів.[3]

Підвищення экологічності виробництва.Кількість шкідливих викидів можна істотно скоротити, а деякі можна виключити повністю за допомогою правильної організації отсоса газів з робочого простору печі.

1) Добре застосовувати регульований отсос і підтримувати під зводом постійний тиск, рівний зовнішньому тиску повітря. Добре зарекомендував себе подвійний отсос газів з області рами робочого вікна й отвору під зводом. При цьому в пристрої, що відводить газ від рами, варто встановлювати регульовану дросельну заслінку. Для гарної роботи регульованого пристрою, що відсмоктує, потрібно ущільнювати отвору між електродами й зводом печі за допомогою механічних пристосувань і шляхом подачі повітря під невеликим тиском.

2) Викиди пилу при продувці ванни киснем можна скоротити, застосовуючи газово-кисневі пальники й фурми спеціальної конструкції, які одночасно можуть інтенсифікувати процес виплавки стали.

3) Заслуговує на увагу подача інертного газу (наприклад, аргону) у вогнище горіння електричної дуги через осьові отвори в електродах або іншому способі. При цьому кількість високодисперсного пилу зменшується в 2 — 3 рази й технологія плавки не змінюється

Виходячи з механізму утворення пылегазовых викидів у дугових сталеплавильних печах можна сказати, що скорочення викидів повинне здійснюватися, насамперед за рахунок оптимізації способів подачі кисню у ванну печі, організації додаткового підведення тепла в робочий простір (установки газокисневих пальників), попереднього підігріву шихти перед завантаженням у піч, а так само вибору правильного режиму плавки.

1) Наявний досвід по вдосконалюванню процесу продувки показує, що процес пилеформування багато в чому залежить від конструктивних наконечника кисневих фурм. Для зменшення пилеформування необхідно знижувати температуру металу в реакційній зоні продувки. Цього можна досягти шляхом розосередження дуття, додавання різних охолоджувачів у реакційну зону, посилення циркуляції рідкого металу поблизу реакційної зони. Найбільший ефект досягається при так званій глибинній продувці
Як відомо, продувка з використанням многосопловых фурм підсилює циркуляцію металу в реакційній зоні, що приводить до зниження його температури й зменшенню пылевыделения. Такий же ефект досягається при застосуванні фурм із плоскощелевыми соплами. При цьому підвищується відсоток використання кисню (на 15 — 20%) і вихід придатного (на 0,5%).[5]

2) Додавання до кисневого дуття повітря дозволяє значно знизити інтенсивність пилеформування. Різке зниження пилевиделення при продувці сталеплавильних ванн спостерігається при добавці до кисню відбудовних газів або рідкого палива. При виборі параметрів киснево-газової продувки необхідно специфічні особливості плавки в дугових сталеплавильних печах. Спалювання палива в робочому просторі печі є додатковим джерелом теплової енергії й природно повинне привести до прискорення процесу розплавлювання шихти й скороченню витрати електроенергії. При цьому необхідно забезпечити таку ефективність теплопередачі від смолоскипа до шихти, при якому б не спостерігалося інтенсивне зношування футеровки печі.
Прикладом такого технічного рішення є спосіб киснево-газової продувки, при якому смолоскип має окисний потенціал, що не робить негативного впливу на стійкість футеровки, і різко скорочує утворення бурого диму. При цьому способі виплавки стали в електропечах окисна здатність киснево-газового смолоскипа регулюється залежно від періоду плавки. У період розплавлювання витрата природного газу становить 0,4 — 0,5 обсяги кисню.[6]

3) Процес пилеформування можна зменшити при подачі в струмінь кисню різних порошкоподібних матеріалів. Додавання пшата у вигляді часток розміром не більше 2 мкм у кількості 2,5 — 3% від маси садки печі приводить до різкого скорочення пилеформування, зниженню вигару легуючих елементів і скороченню тривалості плавки. Застосування порошків залізорудного концентрату в струмені кисню знижує зміст пилу в газах в 4 — 8 рази в порівнянні зі змістом при продувці чистим киснем: при цьому вихід придатного збільшується на 2,5%. Широке поширення такого способу зниження пилеформування стримується в цей час через відсутність надійних і простих засобів подачі пилових часток у струмінь кисню.
Як вказувалося вище, інтенсифікація процесу перемішування ванни приводить до зниження температури реакційної зони й зниженню інтенсивності пилеформування. Тому подача у ванну аргону для інтенсифікації перемішування приводить до зниження пилеформування й скороченню вигару легуючих. Останнє може досягати 26 — 27%.[7]

4) Зниженню викидів в атмосферу сприяє нагрівання лома перед завантаженням його в піч. При підігріві лома до 700 — 760°С різко скорочується тривалість плавкі. При цьому відпадає необхідність такої операції як підрізування, а продувка киснем починається при більше високій температурі ванни. Все це призводить до загального скорочення пилегазових викидів внаслідок зниження вигару заліза й легуючих елементів.

5) У дугових печах постійного струму в порівнянні із трифазним виділення пилу різко знижується, що пов'язане з особливостями дуги постійного струму. У печах постійного струму метал контактує тільки з анодною плямою електричної дуги. Тому що щільність струму й питомий тепловий потік в анодній плямі на порядок нижче, ніж у катодному, у процесі плавки в печах постійного струму випаровується менше металу й шлаків, утвориться в 6 — 8 разів менше пилу, чим у трифазних печах. Це підтверджено досвідом, де було встановлене зменшення вигару металу, менший розвиток окисних процесів у ході плавки й зниження рівня пилевикидів в 5 — 8 разів.[8]
Крім того, у печах постійного струму відбуваються процеси, що відрізняються від процесів у печах змінного струму. Навколо дуги постійного струму створюється постійне електричне поле, що впливає на заряджені частки, що перебувають у ньому. На позитивно заряджені частки діє сила електричного поля, спрямована до катода. Позитивно заряджені частки, насамперед Fe²⁺, що витають в околоэлектродной зоні, розряджаються, сліпаються й вертаються в розплав, що підтверджується виміром змісту Fe у технологічних газах печей постійний і змінний токи. На негативно заряджені частки діє сила, спрямована до розплаву. У печах змінного струму миттєве значення електричного поля міняє свій напрямок і величину із частотою 50 Гц. Сили, що діють на частки, також періодично міняють напрямок, і спрямованого руху часток не відбувається. У результаті утвориться однорідна в грубному просторі пилегазова хмара, що виноситься технологічними газами. Тому печі постійного струму мають явна екологічна перевага в порівнянні із трифазними печами.[9]
Більша стабільність дуги спричиняється менший газообмін між обсягом печі й атмосферою й відповідно менший обсяг технологічних газів

9) Зниження виносу пилу в систему газоочистки може бути забезпечене шляхом зміни конструкції дугової печі й зводу зокрема. Водоохлаждаемый звід із системою газоотсоса. У ньому по периметрі виконана кільцева камера утворена трубчастими водоохолоджуваними панелями, змійовики яких навиті в площині, перпендикулярної поздовжньої осі печі. Камера закрита зверху екраном в якому виконано отвір під сводовий патрубок. Нижня частина камери представляє газорозподільні грати зі змінним кроком по кутовому положенню щодо отвору газоходу. У камері створюється розрідження. Отсос газів у кільцеву камеру проводиться з усією поверхні подсводового простору печі зі значним ступенем рівномірності. Наслідком розподіленої системи газоотсоса є зниження швидкості грубних газів. Це сприяє зменшенню виносу великих часток у систему газоочистки й підсмоктування повітря через нещільності печі. Крім того, самі газорозподільні грати є первинним фільтром очищення грубних газів від пилу, що осідає на відносно холодній поверхні гарнісажу на трубах і в міру росту його товщини понад рівноважний, за умовами теплообміну, оплавляється й вертається в піч. Визначення запиленності газів, що відходять, при переході зі стандартного водоохолоджуємого зводу на звід із системою розподіленого газоотсоса показало зниження рівня запиленности в період плавлення в 2 — 4 рази, у період доведення плавки — в 1,5 — 2 рази

Супертоксичні викиди і їхнє скорочення,
Диоксини й фурани є одними із самих токсичних з'єднань, відомих людині. Для утворення диоксинов необхідні органічні сполуки, кисень і певна температура. На заводах усе рідше є в наявності якісний лом, збільшується частка сталевого лома, забрудненого поліхлорвініловими з'єднаннями. У сполученні із цими матеріалами при нагріванні лома утворяться летучі органічні сполуки, диоксини й фурани. Каталізаторами, у багато разів підвищуючими зміст диоксинов у продуктах горіння, служать важкі метали такі, як мідь.
Дугові печі викидають 0,01 — 1,3 нг/м³ «токсичного еквіваленту».
Уловлювання диоксинів і фуранів представляє більшу проблему. Звичайні системи газоочистки вловлюють до 60% диоксинів. Необхідною умовою зниження змісту диоксинів у технологічних газах є чітке розуміння поводження диоксинів у різних технологічних процесах, знання умов їхніх утворень і розкладань, тривалість їхнього існування при різній температурі. При високій температурі більше (1200 °С) диоксини повністю разлогаються. Однак при охолодженні технологічних газів диоксини знову утворяться в результаті реакції «новосинтезу» органічних компонентів і хлориду в газах при 200 — 600 °С). В інтервалі температури 250 — 400 °С «новоиснтез» диоксинів досягає максимуму. Температурна залежність утворення й розкладання й диоксинів представлена на малюнку 1.

Малюнок 1 — Вплив температури газів, що відходять, на концентрацію диоксинів
(анімація: 4 повторення, 5 кадрів, 139 КБайт)

Температура газів, що відходять, після охолодження є визначальним чинником. Концентрація диоксинів може бути знижена до припустимого рівня при комбінації термічної обробки технологічних газів (дожигания газу) зі швидким охолодженням і ефективною фільтрацією газів. Зниженню утворення отрутних органічних сполук у технологічних газах сприяє моніторинг сталевого лома і його підготовка до плавки.

Перспективи досліджень по темі

Заслуговує подальшого розгляду впровадження розглянутих вище технологічних методів зниження шкідливих викидів і технологій ресурсозбереження саме на існуючих металургійних підприємствах України. Необхідно стимулювати дослідження в напрямках, що дозволяють знизити кількість шкідливих викидів і що забезпечують маловідтходність технологічного процесу, адже насамперед у цьому повинні бути зацікавлені самі металургійні підприємства.
Ігнорування даної проблеми спричинить збільшення екологічних платежів за викиди, що перевищують встановлені норми, і зниження рентабельності підприємства, зменшення конкурентоспроможності продукції на світовому ринку, а також збережеться високе забруднення навколишнього середовища міста й робочої зони цехів через недосконалість технологій, застосовуваних на підприємствах у цей час.[10]

Висновки

Для того щоб зменшити кількість шкідливих викидів в атмосферу, знизити кількість скидань від электросталеплавильного виробництва, необхідне створення ресурсосберегающих, маловідходних технологій. Повною мірою це може бути забезпечено, тільки застосувавши комплексний підхід до рішення проблем. Необхідне вдосконалювання технології, підвищення рівня міжгалузевої кооперації, координації робіт у питаннях утилізації відходів і захисту навколишнього середовища. Раціональне використання природних ресурсів, зниження їхнього споживання технологічними методами й шляхом утилізації відходів ведуть до экологизации виробництва й мінімізують навантаження электросталеплавильного виробництва на навколишнє середовище.

Перелік посилань

1. Андоньев С. М, Зайцев Ю. С, Филипьев О. В. Пылегазовые выбросы предприятий черной металлургии. — Харьков — 1998. — 246с

2. Лопухов Г. А. Эволюция электросталеплавильного производства к 2010 году // Электрометаллургия. 2002. № 5. С. 2 — 3.

3. Афонин С. З. Сталеплавильное производство России и конкурентоспособность металлопродукции // Электрометаллургия. 2003. № 1. С. 2 — 5.

4. Авдеев В. А., Друян В. М., Кудрин Б. И. Основы проектирования металлургических заводов: Справочное издание. М.: Интермет Инжиниринг, 2002. 464 с.

5. Вагин Г. Я., Лоскутов А. Б., Шалаев С. А. Основные направления экономии энергии на металлургических предприятиях // Промышленная энергетика. 1995. № 9. С. 12—15.

6. Осипенко В.Д., Егоричев А. П., Максимов Б.Н. Отвод и Обеспыливание газов дуговых сталеплавильных печей. — М.: Металлургия, 1986. - 140 с.

7. Юзов О. В., Харитонова М. А., Гурьев В. С. Эффективность охраны атмосферы от выбросов сталеплавильного производства. — М.: Металлургия, 1987. — 103 с.

8. К.Л. Клайн Высокопроизводительная работа электродуговой печи с малыми выбросами на заводе BSW // Электрометаллургия. — 2000, №7.— с.23—30.

9. Б.П. Платонов Физико-химические процессы образования пылегазовой фазы в дуговых печах // Известия ВУЗов Черная металлургия. 1999 — №2 — с. 68 — 69.

10. Вишкарев А. Ф. Снижение пылевыбросов в атмосферу при выплавке стали в электродуговых печах. // Новости черной металлургии за рубежом. — 2003. — № 2. — с. 68 — 69.

Примітка: На даний момент робота перебуває в стадії розробки. Завершення планується на початок грудня 2009 року.

©ДонНТУ 2009 Махортова Ю. В.