Olena Zhyriakova

Цели. Задачи
Принимая во внимание кризисную экологическую ситуацию в Донбассе, Кривбассе и Приднепровье, необходима разработка перспективных проектов по нейтрализации токсичных и супертоксичных агломерационных газов.
В условиях рыночной экономики, конкуренции и общей тенденции удорожания энергоносителей приоритетное значение приобретают качество продукции и энергозатраты на ее изготовление. Прогрессивное изменение этих показателей неразрывно связано с улучшением экологических характеристик, что особенно важно для агломерационного производства.
К общим направлениям экономии энергоресурсов для агломерационных фабрик относятся подготовка шихтовых материалов и шихты в целом; увеличение высоты слоя шихты; оптимизация параметров работы и конструктивных характеристик зажигательного горна; использование тепла горячего агломерата и отходящих от агломерационной машины газов; повышение герметичности оборудования и снижение потерь давления в нем; оптимизация режимов работы эксгаустеров.
Для каждой отдельной агломерационной фабрики степень значимости каждого из этих направлений различная. Содержание в отходящих газах вредных газообразных составляющих (оксиды углерода, серы, азота) определяется составом шихты и особенностями технологического процесса.
Для решения поставленной проблемы рассматриваются современные тенденции развития агломерационного производства, определяются технологические способы и организационно-технические мероприятия, позволяющие подавлять образование газопылевых выбросов до выхода из процесса.

Актуальность. Мотивация
Агломерационные фабрики Украины, построенные более 40-70 лет тому назад, имеют высокую 70-90% степень износа и морально устарели. В их составе нет современных технологических схем, эффективного оборудования для усреднения и дозирования сырья, смешивания и окомкования шихты, охлаждения, дробления и особенно грохочения агломерата. По этой причине в течение многих десятилетий исключалась возможность коренного улучшения качества товарного продукта агломерационных фабрик, особенно по содержанию в нем нежелательных мелких фракций.
Примечательно, что в изданном в 2005 г. Всеукраинском проекте «Металлургия, машинообработка, машиностроение» в качестве первоочередной меры развития доменного производства декларируется «улучшение качества подготовленного к доменной плавке сырья и кокса», но ничего конкретного, конструктивного по отношению к производству агломерата не предложено.
Техническая политика нового руководства приватизированных госпредприятий - генеральных менеджеров финансово-промышленных корпораций - сосредоточена в основном на обеспечении производства нужного количества агломерата. Для этого проводились умеренные поддерживающие ремонты агломерационных машин без выполнения крупных реконструктивных работ, направленных на улучшение главного - качества агломерата.
В результате агломерационное производство Украины отстает от достижений лучших мировых аналогов в 5-7 раз.
Поэтому так необходима модернизация аглофабрик и в целом, и по отдельным агрегатам и устройствам в цепи аппаратов.

Крупнейшая в Европе аглофабрика ОАО "ММК им. Ильича"
(снимки со спутника, Google Earth)

Научная новизна
Существует множество разработок в данной области по отдельным элементам процесса.
Текущая работа систематизирует опыт лучших известных мировых и национальных достижений, отражает влияние технологических факторов агломерационного производства на удельный расход твердого топлива, сырья и количество газопылевых выбросов.

Планируемые результаты
В результате анализа общего состояния технологии и экологической обстановки на агломерационных фабриках, исследований новых и модернизированных процессов предлагаются некоторые обобщения и рекомендации по развитию агломерации в направлении сокращения пыле- и газообразования в ходе самих процессов подготовки, спекания шихты и обработки спека применительно к аглофабрикам Украины.
В итоге исследования действующих и предлагаемых способов экологизации составляются таблицы, в которых по каждому мероприятию показаны результаты энергос6ережения и уменьшения выбросов токсичных веществ.

Исследования. Разработки
Вопросам совершенствования технологии, энергосбережения, экологии в агломерационном производстве посвящено много работ. Ученые японской фирмы «Nippon Steel» проводят множество исследований в этой области. Российские предприятия ОАО «Уралмаш», ООО «НПВП ТОРЭКС», ОАО «Уралмеханобр», а также немецкая фирма «Siemens VAI» имеют опыт разработки и реализации комплексной реконструкции аглофабрик.
На национальном уровне проблемами реконструкций аглофабрик занимаются ГП «Укргипромез», УкрГНТЦ «Энергосталь», НПО «Доникс». В последние 3-4 года для целой группы предприятий (ОАО «Алчевский металлургический комбинат», ОАО «Енакиевский металлургический завод», ОАО «Днепровский металлургический комбинат им. Дзержинского», ОАО «Азовсталь») выполняются предварительные проработки на уровне технологических заданий (ТЛЗ), технико-экономических обоснований (ТЭО) строительства на новых площадках современных агломерационных комплексов. Старые аглофабрики названных предприятий, не подлежащие реконструкции, должны быть снесены.
В Донецком национальном техническом университете данной проблемой занимаются к.т.н., доцент А.С.Бондарь и к.т.н., доцент И.М.Мищенко.

Собственные результаты
Анализ общего состояния технологии и экологической обстановки на агломерационных фабриках Украины, результаты исследований новых и модернизированных процессов позволяют сделать некоторые обобщения и рекомендации по комплексному развитию технологии агломерации с учетом возросших экологических требований и определением социально-экономических последствий использования предлагаемых процессов. Приоритетные направления развития агломерации должны определяться с учетом их влияния на состояние окружающей среды.
Работа проведена применительно к аглофабрикам Украины, укомплектованным агломашинами, которые построены в 30-60-е годы, и где проблема улучшения условий труда и зашиты окружающей среды от загрязнений особенно актуальна.
Первоначальные операции агломерационного производства - разгрузка, складирование и усреднение шихтовых материалов выполняются в основном на открытых складах, оборудованных башенными или роторными вагоноопрокидывателями, рудно-грейферными перегружателями и одноковшовыми экскаваторами. Оборудование многих складов имеет ограниченные усреднительные возможности, не приспособлено к переработке пылесодержащих материалов, во многих случаях не обладает достаточным запасом мощности.
По методам составления на усреднительных складах железорудных смесей аглофабрики можно разделить на две группы, отличающиеся совместным и раздельным усреднением компонентов.
При совместной схеме усреднения на фабриках комбинатов «Азовсталь», «Криворожсталь», Макеевского, Днепровского им. Дзержинского все железорудные компоненты (концентрат, аглоруды, отходы) и известь складируют в один штабель, при раздельной - в два штабеля: концентратный и аглорудный. Отходы складируют либо в концентрат (Алчевский металлургический комбинат), либо в аглоруду (комбинат им. Ильича) или частично складируют отдельно (например, колошниковую пыль на комбинате «Запорожсталь» и Енакиевском металлургическом заводе). Известь на складе подают, как правило, в штабели концентрата. По месту ввода извести аглофабрики делятся на три группы, отличающиеся подачей извести только на склад, только в поток железорудной смеси или шихты и одновременным вводом извести на склад и в поток шихтовых материалов.
Упомянутые схемы переработки сырьевых материалов по-разному влияют не только на качество подготовки агломерационной шихты, но и на состояние окружающей среды. Например, вынужденная подача извести на открытый усреднительный склад без мер пылеподавления создает повышенную запыленность на самом складе и далеко за его пределами. Применение технологически необходимой извести и относительно сухих отходов для подсушивания концентрата и придания ему сыпучести сопровождается крупным недостатком: железорудный коцентрат - самый стабильный по химическому составу компонент шихты - повсеместно разусредняется в связи с несовершенным, без весового дозирования, вводом в него добавок. Кроме того, на процессы усреднения и последующей подготовки сырья на аглофабриках отрицательно влияют отсутствие нормативных технологических запасов и неритмичная поставка шихтовых материалов. Это неизбежно выводит процесс спекания шихты из стационарного режима, сопровождается повышенными пылевыми, а зачастую и дополнительными газовыми выбросами.

Дробление известняка, топлива, возврата и аглоруды до оптимальной крупности
Практикой агломерации и исследованиями доказано, что оптимальная крупность указанных компонентов обеспечивает не только повышение производительности и улучшение прочности агломерата, но и существенное сокращение расхода твердого топлива:

• аглоруда и возврат - не более 5-6 мм;
• концентрат - 0,07-0,1 мм;
• флюсовые известняки - 0-3 мм (2 мм);
• твердое топливо - 0,5-3 мм.

Известняк дробят в специальных молотковых дробилках до крупности 0-3 или даже 0-2 мм. Твердое топливо (коксовые отходы, антрацит) измельчают в валковых дробилках до крупности <3 мм, причем используют такие дополнительные способы, которые гарантируют исключение из топлива мелких пылеобразных классов <0,5 мм, которые быстро сгорают, обладают меньшей теплоотдачей в связи с меньшим содержанием в них горючего углерода и выделяют больше СО при горении. При полном удалении фракций 0-0,5 мм расход топлива уменьшается на 15,2%, концентрация СО в отходящих газах уменьшается на 17,6%. Удалить фракции 0-0,5 мм из топлива можно путем его пневмоклассификации или промежуточного грохочения. За рубежом используют классификацию, грохочение и гравитационно-инерционный способ разделения классов крупности топлива.
Японцы, используя топливо крупностью 1-2 мм, расходуют его на 20,2% меньше, чем при использовании топлива обычной крупности 0-3 мм.
При рекомендованной оптимальной крупности возврата и руды 5-6 мм, фактически крупность достигает 15-20 мм. Внедрение додрабливания руды и возврата может снизить расход твердого топлива на 7%, повысить прочность агломерата на 6% и увеличить производительность процесса спекания на 10%.

Усреднение шихтовых материалов
Реальная колеблемость шихтовых материалов по содержанию железа и основности примерно в три раза превышает необходимую:

• ± 0,5 по железу;
• ± 0,05 по основности.

Фактически колебания содержания Fe в рудной смеси, поступающей в агломерацию, составляют 1,5-2%. Если выйти на уровень общемировых достижений по стабильности химического состава рудного сырья, то можно снизить расход топлива в агломерации и доменном производстве минимум на 7-10%.

Производство и применение извести в агломерации
Применение извести в агломерации позволяет:

• обеспечить транспортабельность - сыпучесть таких влажных материалов как рудный концентрат, шламы, - исключает их смерзаемость при транспортировке и складировании, обеспечивает качество дозирования за счет сохранения устойчивости потока материалов из бункеров и перегрузочных устройств;
• обеспечить хорошее окомкование аглошихты, достаточную прочность гранул, как при транспортировке шихты к агломашине, так и в процессе спекания слоя, где действуют значительные статические нагрузки, а также связанные с переносом влаги и тепла в слое;
• расходуя 50-70 кг/т агломерата свежей извести специалисты агломерации получают газопроницаемую структуру слоя и могут увеличить его высоту до 400-600 мм, получая на каждых 20 мм 1-2% экономии твердого топлива, а также повышение прочности агломерата по выходу мелких классов из него на уровне 0,5-0,7% при указанном увеличении высоты слоя (на 20 мм). Дополнительный расход топлива на производство извести (примерно 150 кг у.т. на 1 т извести) окупается благодаря достигаемым улучшениям показателей аглодоменного производства.

Экологизация производства извести должна включать надежную локализацию мест пылевыделения и эффективную очистку газовоздушных потоков от включений извести при максимальной концентрации известковой пыли в отходящих газах 10-50 мг/м куб.

Дозирование шихтовых материалов
Составление аглошихты в соответствии с ее расчетом гарантирует необходимую производительность, химический состав и прочность агломерата. Доля влияния точности весового дозирования на расход твердого топлива может достигать 25-50%. Шихту составляют в автоматическом режиме, то есть путем постоянного взвешивания потоков материалов, регулируя выдачу доз в кг на погонный м дозирующего или сборного конвейера.
Для качественного дозирования с точностью выдачи каждого компонента ±0,3-0,5% от максимального значения шкалы прибора необходимо следующее оснащение дозировочных отделений аглофабрики:

• конструкции дозировочных бункеров должны иметь коническую форму с внутренним покрытием стен незалипающими гидрофобными материалами;
• для исключения зависания материалов нужны вибрационные или пневматические системы обрушения свода зависших материалов;
• необходимы датчики уровня, измерители расхода и массы шихтовых материалов в виде тензометрических датчиков и конвейерных весов;
• устойчивость потока материалов является одним из условий соблюдения точности дозирования;
• для контрольной точности взвешивания в современных системах автоматического весового дозирования предусмотрены тарировочные устройства.

Смешивание и окомкование шихты
Основной целью смешивания шихты является рассредоточение измельченного топлива и флюсов (известняк, известь) в объеме рудных материалов. Каждый макрообъем шихты должен получить несколько частиц топлива, чтобы при его сгорании выделилось тепло, состоялись процессы плавления и кристаллизации расплава. В плохо перемешанной шихте часть объемов имеет избыточное количество топлива, а в некоторых его нет вовсе. Шихта без топлива не агломерируется и возвращается в процесс в виде возврата, а избыточное топливо вызывает переоплавление в составе расплава такой модификации двухкальциевого силиката β-2 CaO·SiО2, которая при остывании перестраивает кристаллическую решетку с увеличением объема на 10-12%, превращая агломерат в пыль.
В качестве смесителей в основном используют барабанные агрегаты, отличающиеся простотой в эксплуатации, надежностью, достаточной эффективностью (если диаметр и длина смесителей соответствуют свойствам перемешиваемых материалов). Удлинение смесителей часто сопровождается уменьшением расхода топлива.
Окомкование шихты в оптимальном режиме позволяет получать шихту, обладающую достаточно высокой газопроницаемостью.
Основные режимные параметры окомкования включают:

• частоту вращения окомкователей (u<4-6 об/мин), при которой соблюдается режим перекатывания шихты;
• степень заполнения барабана шихтой не должна превышать 5-10%;
• степень увлажнения шихты должна быть стабильной 7,5-8%;
• диаметр и длина барабана в сочетании со скоростью вращения должны обеспечить не только образование и рост гранул, но и достаточное их уплотнение для получения прочной структуры комков, способных выдержать нагрузку при транспортировке к спекательным тележкам (палетам).

Существует несколько модернизированных способов окомкования шихты, главной целью которого является снижение расхода топлива и повышение прочности агломерата. Это процессы раздельного окомкования. В мировой практике применяют технологии окомкования с накатыванием твердого топлива на готовые гранулы шихты. При раздельной подаче твердого топлива (20-30% при дозировании шихты и 70-80% при окомковании) удается снизить расход твердого топлива на 8-10%, а газообразного, чаще природного газа, на 7-12%.

Загрузка шихты на палеты агломашины
Этой операцией завершается цикл подготовки шихты к спеканию.
Загрузочные устройства должны обеспечивать:

• оптимальную степень (чаще максимальную) сегрегации шихты, которая означает разделение ее массы на классы крупности и по химическому составу в направлении от поверхности к нижней части слоя;
• минимальную степень разрушения гранул и комков шихты при перегрузках от барабана-окомкователя до палет агломашины;
• одинаковую высоту слоя по ширине, а значит и длине площади спекания агломашины;
• идентичность гранулометрического состава и химических свойств шихты по ширине и высоте слоя.

Благодаря сегрегации твердого топлива выравниваются температуры по высоте слоя, а экономия твердого топлива в связи с улучшенной сегрегацией может достигать 8-10% и более. Мягкая укладка слоя шихты с сохранением его порозности дает возможность повышать производительность процесса, создавать условия для экономичного высокослойного спекания шихты.
Поиск способов модернизации технологии и оборудования загрузки шихты на агломашины продолжает оставаться актуальной задачей, поскольку в агломерации не разработано пока еще такое уникальное загрузочное устройство, которое отвечало бы всем требованиям современной технологии формирования на агломашине слоя с оптимальными температурно-тепловыми и газодинамическими характеристиками.
Системы загрузки на украинских аглофабриках не соответсвуют многим требованиям специфической технологии подготовки и спекания шихты из железорудных концентратов и отходов, они менее совершенны, чем некоторые зарубежные аналоги и нуждаются как минимум в элементарной модернизации. В то время как японские специалисты предложили несколько оригинальных конструкций двухступенчатых загрузочных устройств агломашин, часть из которых успешно используется не только в Японии, но и в Китае, Бразилии и других странах.

Спекание шихты в высоком слое
Это основное направление совершенствования агломерации в мировой практике, так как благодаря ему достигаются лучшие показатели по прочности агломерата и экономии твердого топлива.
Увеличение высоты слоя на 20 мм позволяет снизить расход твердого топлива на 2%, уменьшить выбросы в атмосферу:

• пыли на 7%;
• СО на 3,6%;
• SО2 и NOХ нa 2-3%.

Увеличение высоты слоя возможно при трех условиях:

• качественной подготовке гранулированной шихты за счет использования современного оборудования и связующих веществ;
• оснащении агломашин мощными эксгаустерами, способными создать большое разрежение (15-30 кПа) под спекаемым слоем;
• газовые сети агломашин должны обладать высокой герметичностью.

Спекание шихты в высоком слое использует теплотехнические выгоды агломерации: чем выше слой, тем большая доля его высоты имеет характеристику повышенного притока тепла регенерации и достаточных температур для плавления и формирования прочного спека.

Комбинированный нагрев в слое аглошихты
Спекание в высоком слое значительно выравнивает температурные условия формирования агломерата. Однако, не закрывает проблем дефицита тепла в верхнем горизонте спекаемого слоя. Для этой цели (обеспечение примерно одинаковых температур по высоте слоя) служит комбинированный нагрев, состоящий:

• из тепла горения топлива внутри слоя;
• из тепла внешнего теплового источника в виде всасываемых в слой воздуха или продуктов горения топливных газов (природный газ, кокс, доменный, конвертерный газы).

Рециркуляция агломерационных газов
Преследуется цель дожигания или разложения СО и сложных углеводородов, а также частичного поглощения в слое сернистого ангидрида.
Обычно в процесс агломерации возвращают отходящие газы последних вакуум-камер с температурой 150-200 °С. Оптимальная степень рециркуляции для промышленных условий украинских аглофабрик составляет около 25%. При этом удается снизить выбросы СО в атмосферу также на 25% и снизить расход твердого топлива на 2 кг/т агломерата.
Для удлиненных машин, где около 40% площади используют для охлаждения, целесообразна продувка воздухом практически готового спека и подача этого воздуха с температурой около 600 °С на процесс спекания. В этом случае можно снизить содержание твердого топлива на 20%.
Состав аглогаза:

• СО = 0,5-3%;
• СО2 = 14%;
• SO2 = 0,3%;
• NOХ = 0,05%;
• N2 = 60%;
• PCDD/PCDF.

Охлаждение и механическая обработка спека
Спек охлаждают в специальных охладителях для создания нормальных условий труда в цикле транспортировки, дозирования и загрузки агломерата в доменные печи. Тепло агломерата составляет 38% в общем тепловом балансе процесса спекания. Утилизация тепла агломерата дает 20% экономии топлива.
При охлаждении стабилизируется прочность и гранулометрический состав агломерата, при котором удается выделить из спека максимальное количество мелких фракций и получить годный агломерат стабильного состава по крупности, что создает основу для экономии топлива в доменном производстве.

Результаты. Перспективы
Удорожание топлива и электроэнергии должно стимулировать производителей агломерата к более активной работе по техническому перевооружению и обновлению производства.
Агломерационные фабрики Украины морально и физически устарели, производят низкокачественный, особенно по гранулометрическому составу агломерат. Это является главной причиной недостаточной эффективности и повышенной энергоемкости продукции доменного производства.
Технический уровень агломерационного производства Украины можно значительно повысить путем внедрения эффективных процессов и оборудования на всех стадиях - от усреднения сырья до грохочения агломерата. Для этого необходимо сооружение новых и глубокая реконструкция старых агломерационных фабрик.
Кардинальное улучшение основных показателей качества агломерата создает условия для экономии тепла и топлива, внедрения эффективных процессов интенсификации выплавки и повышения качества чугуна (использование ПУТ, современных загрузочных устройств, повышение параметров комбинированного дутья, etc.), уменьшения себестоимости и повышения конкурентоспособности продукции доменного производства.
Совершенствование доменного производства на базе радикального улучшения качества агломерата может обеспечить рост выпуска чугуна и снижение расхода кокса. Сокращение потребления кокса создает большие возможности для обновления коксохимического производства, вывода из эксплуатации и демонтажа безнадежно изношенных коксовых батарей. В связи с этим, кроме роста экономических показателей, ожидаются глубокие позитивные изменения экологической ситуации по линии основных загрязнителей - аглодоменного и коксохимического производств.
Для снижения капитальных и эксплуатационных расходов необходимо максимально использовать специализированные машиностроительные заводы Украины и ближнего зарубежья.

Список литературы:
1. И.М.Мищенко, Н.С.Хлапонин. Развитие агломерации - основное направление энергосбережения и повышения эффективности в доменном производстве. Металл и литье Украины, №3-4, 2006.
2. Н.Н.Гугис, И.М.Мищенко. Развитие технологии агломерации и пути снижения вредных выбросов в атмосферу. М.: Ин-т "Черметинформация", 1989.
3. А.Я.Илюхин, И.А.Овчинникова. Развитие технологии загрузки шихты на агломерационные машины. Металл и литье Украины, №9-10, 2007.
4. Г.М.Майзель. Энергосбережение и экология - приоритеты в производстве металлургического сырья. Сталь, №4,1995.
5. И.М.Мищенко, Н.Т.Егоров. Возможности кардинального сокращения пылевых и газовых выбросов в агломерационном производстве. Металлургическая и горнорудная промышленность, №4, 2005.
6. Ю.С.Кривченко. Проектирование и модернизация предприятий горно-металлургического комплекса. Сборник материалов IV международной практической конференции «Машиностроение горно-металлургическому комплексу: от идей к совместным программам реконструкции и модернизации». Днепропетровск, 2006.
7. В.П.Бруев, С.Н.Евстюгин, В.И.Клейн, В.А.Глухих, С.А.Напольских, В.Ю.Егоров. Основные направления модернизации технологии и оборудования на аглофабриках УК «ЕвразХолдинг», Сталь, №12, 2008.


NB! При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2009 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора (или ее руководителя) после указанной даты



e-mail:zhiryakova'at'yahoo'dot'com