Дослідження та характеристика основних властивостей пилу, що вміщує графіт. Розробка та аналіз методів її збагачення і утилізації. Ознайомлення з основними методами оцінки доцільності використання різних методів зниження викидів при переливах чавуну.
Аннотация к работе
Кожна порція чавуну на шляху від доменної печі до сталеплавильного агрегату переливається 4 рази: при випуску на ливарному дворі доменної печі, при заливці і зливі металу в міксерному відділенні і при заливці в сталеплавильний агрегат. Кожен перелив супроводжується викидом в атмосферу значної кількості пилу, що складається з трьох основних компонентів: крупнодисперсної фракції, що включає графітні пластини і металеві частки, а також з дрібнодисперсних оксидів заліза (бурого диму). Для зниження викидів, як правило, здійснюють їх відведення за допомогою димососів великої потужності з подальшим очищенням від пилу і скиданням очищених газів в атмосферу. Внаслідок цього в даний час багато ливарних дворів і міксерних відділень, а також всі конвертери (з боку заливки) металургійних заводів України взагалі не обладнані ніякою системою аспірації, а викиди неорганізовано поступають в атмосферу без будь-якого очищення. Тому робота, направлена на вирішення науково-технічної проблеми підвищення екологічної безпеки металургійного виробництва при переливах чавуну, розробки теорії утворення і придушення викидів і створення, на основі такої теорії, технологічних прийомів, що дозволяють подавити процес виникнення пилу і забезпечити зниження викидів в атмосферу без використання дорогих газоочисних агрегатів, а також на вирішення проблеми утилізації пилу, є актуальною.
Список литературы
Основні положення дисертації опубліковані в 27 працях, зокрема в 1 монографії, 24 статтях в спеціалізованих наукових українських і зарубіжних журналах і збірниках наукових праць і в 2 винаходах. Кількість публікацій без співавторів - 10. Дані публікації не включені в кандидатську дисертацію і в її автореферат.
Структура і обсяг дисертації.
Дисертація складається із введення, восьми розділів, висновків, списку використаної літератури з 164 найменувань і додатків. Загальний обсяг дисертації становить 292 сторінки, зокрема основна частина - 273 сторінки, з яких літературний огляд - 43 сторінки (приблизно 15,7 %).
Основний зміст
У першому розділі „Стан питання” вивченням проблеми по науково-технічній і патентній літературі і обстеженням підприємств встановлено: 1. Переливи чавуну, що є необхідною ланкою в технологічному ланцюзі чорної металургії, супроводжуються викидами в атмосферу значної кількості пилу, що полягає, головним чином, з двох компонентів - крупнодисперсного пилу, що вміщує графіт, і дрібнодисперсних оксидів заліза - бурого диму.
2. Традиційні рішення по відведенню викидів з їх подальшим уловлюванням вимагають значних витрат, оскільки для ефективного відведення пилу необхідні великі витрати аспіраційного середовища, а для уловлювання бурого диму - громіздкі і дорогі електрофільтри або тканинні фільтри. В той же час для уловлювання крупнодисперсного пилу, що містить графіт, достатньо відносно дешевих і компактних циклонів.
3. Механізм походження бурого диму на сьогоднішній день остаточно не ясний. Існує декілька теорій, які описують утворення бурого диму в сталеплавильних агрегатах, проте жодна з них не є загальновизнаною. Відсутність теорії процесу утворення бурого диму при переливах чавуну обмежує можливість розробки ефективних методів боротьби з викидами.
4. З практики відомо, що, зменшуючи концентрацію кисню в газовій фазі, можна істотно понизити викиди бурого диму. Проте відомий досвід потребує узагальнення і теоретичного осмислення.
5. Розробка методу придушення бурого диму при переливах чавуну дозволить вирішити проблему зниження викидів без застосування фільтрів і з меншим витрачаннями аспіраційного середовища - тобто з меншими витратами.
У другому розділі „Екологічна доцільність застосування різних методів зниження викидів при переливах чавуну” виконано аналіз доцільності застосування різних методів очищення для різних компонентів викидів при переливах чавуну.
Запропоновано новий метод оцінки екологічної доцільності заходів щодо захисту атмосфери. Застосування різних методів очищення від того або іншого компонента вимагає витрати енергії і матеріалів, при виробництві яких, у свою чергу, утворюються викиди в атмосферу. Застосування очищення доцільне, тільки якщо кількість уловлюваних викидів перевищує кількість викидів, що утворюються при виробництві енергії і матеріалів, необхідних для очищення. Виходячи з цього набуті значення мінімальних концентрацій шкідливих речовин в потоці викидів, при перевищенні яких очищення стає доцільним.
Критерій доцільності є відношення фактичної концентрації шкідливої речовини в потоці викидів до мінімальної, при якій очищення ще є доцільним
К= ;(1) де К - критерій доцільності очищення; zф - фактична концентрація шкідливої речовини, мг/м3; zmin - мінімальна концентрація шкідливої речовини, при якій очищення доцільне, мг/м3.
При К>1 очищення, з екологічного погляду, є доцільне, при К<1 застосування даного типу газоочистки принесе, кінець кінцем, тільки шкоду навколишньому середовищу. zmin = ; (2) де міэ, мім - питомі викиди на одиницю енергії і матеріалів, відповідно, г/(КВТЧ) і г/т матеріалу; gэ,г м - питомі витрати енергії і матеріалів, відповідно, КВТЧ/1000 м3 і т/1000 м3 газу, що очищається; h - ступінь очищення газу; a - відносна частка часу уловлювання викидів в загальному часі роботи газоочистки; Аі = 1/ГДКІ - коефіцієнт відносної небезпеки i-ї речовини, м3/мг; A = 1/ГДК - коефіцієнт відносної небезпеки речовини, від якої проводиться очищення, м3/мг.
Виконані розрахунки показали, що основна частина викидів утворюється під час виробництві енергії, необхідної для здійснення очищення.
На основі розробленого критерію виконаний аналіз доцільності використання різних типів газоочисток для зниження викидів при переливах чавуну. Встановлено, що очищення від газоподібних домішок недоцільне, а для уловлювання пилу можна застосовувати циклони, електрофільтри, тканинні фільтри або пилоподавлення.
У третьому розділі ”Дослідження процесу утворення бурого диму при переливах чавуну” в результаті теоретичних досліджень встановлено, що утворення бурого диму при переливах чавуну відбувається в під час взаємодії бризок металу з киснем газової фази. Механізм взаємодії бризок з киснем носить різний характер, залежно від розміру бризок. Крупні бризки вибухають в результаті виникнення всередині краплі, на поверхні графітових включень, бульбашки монооксиду вуглецю. Дрібні бризки, що виникли при вибуху, згорають з утворенням бурого диму.
Для перевірки цього висновку виконані дослідження бризок чавуну, що утворюються при зливі металу в ківш. Бризки, уловлені за допомогою спорудженого на комбінаті “Азовсталь” спеціального уловителя бризок, досліджувалися у відбитому світлі за допомогою растрового електронного мікроскопа JSM-T300. Встановлено, що частина бризок мала явні наслідки вибуху бульбашки газу: у бризках були порожнини, рвані отвори, багато частинок були як осколки крупніших порожнистих сфер. Частка бризок, що вибухнули, збільшувалася із зростанням розміру.
Процес вибуху бризок чавуну був також безпосередньо зафіксований при кінозйомці зливу чавуну з міксера в ківш.
У табл. 1 представлені результати вивчення по фотографіях частинок різних фракцій. З табл.1 видно, що бризки розміром більше 250 мкм вибухають з 100% вірогідністю. Чим менше розмір бризків металу, тим менша вірогідність вибуху. Бризки розміром менше 30 мкм не мають слідів вибуху, а невелика частина крапель, що вибухнули, явно є осколками крупніших бризок.
Таблиця 1. Вибухи бризок при переливах чавуну.
Фракція, мкм Число часток у фракції Число часток, що вибухнули Вірогідність вибуху, %
1-2 16 0 0
2-4 216 0 0
4-8 620 0 0
8-16 725 7 0,97
16-32 683 32 4,7
32-63 366 61 16,7
63-125 116 44 37,9
125-250 7 4 57,1
250-500 6 6 100
500-1000 6 6 100
1000-2000 2 2 100
Таким чином, вивчення бризок металу, що утворюються при переливах чавуну, показало, що існують критичні розміри крапель, що визначають вірогідність вибуху. Так, бризки розміром менше 30 мкм не вибухають. Краплі розміром більше 250 мкм вибухають з 100% вірогідністю. Бризки чавуну проміжних розмірів від 30 до 250 мкм вибухають з тим більшою вірогідністю, чим більший розмір краплі.
На основі виконаних розрахунків і експериментальних даних можна зробити наступні висновки щодо механізму утворення бурого диму при переливах чавуну.
1. Бурий дим утворюється в результаті взаємодії бризок металу з киснем газової фази. Наявність бризок і окислювальної атмосфери є обовязковою умовою утворення бурого диму.
2. Першим етапом утворення диму є вибух крупних бризок в результаті виділення бульбашки монооксиду вуглецю на поверхні пластин графіту в обємі краплі. Факт вибуху крапель при переливах чавуну доведений експериментально. Встановлено, що вірогідність вибуху залежить від розміру краплі. Бризки більше 250 мкм вибухають завжди, бризки менше 30 мкм - не вибухають, бризки проміжних розмірів вибухають з тим більшою вірогідністю, чим більший їх розмір. Вірогідність вибуху повязана з вірогідністю наявності в обємі краплі частинки графіту.
3. Другим етапом виникнення бурого диму є окислення крапель діаметром менше 30 мкм, що утворюються в результаті вибуху крупних крапель, киснем газової фази. Відбувається розігрів крапель до температур, які перевищують 2500ЄС, близьких до температури кипіння розплаву, що викликає руйнування закисної плівки, інтенсивне випаровування заліза і його оксидів з поверхні краплі. Процес окислення дрібних крапель йде в режимі тотального горіння.
4. Третім, таким, що завершує, етапом є окислення пари заліза і закису заліза в газовій фазі до Fe2O3, конденсація і утворення частинок бурого диму.
У четвертому розділі „Теоретичні основи подавлення бурого диму при переливах чавуну” теоретично встановлено, що, знижуючи концентрацію кисню в газовій фазі шляхом подачі нейтрального газу, можна істотно зменшити кількість бурого диму.
Отримана залежність ступеня придушення бурого диму від концентрації кисню в газовій фазі і встановлені витрати нейтрального газу необхідні для досягнення заданих величин ступеня пилоподавлення. Ступінь пилоподавлення повязаний з інтенсивністю випаровування заліза
;(3) де e - ступінь пилоподавлення, в долях від одиниці; z, z0 - концентрація бурого диму з пилоподавленням і без пилоподавлення; Р, Р0 - пружність пари заліза, з пилоподавленням і без пилоподавлення; S, S0 - поверхня випаровування, з пилоподавленням і без пилоподавлення; Т, Т0 - температура розігрівання краплі металу в процесі окислення, з пилоподавленням і без пилоподавлення, відповідно.
Парціальний тиск пари заліза експоненціально залежить від температури розігрівання краплі, яка може бути знайдена з теплового балансу краплі в процесі окислення і залежить від вмісту кисню в газовій фазі.
Встановлено, що струмені нейтрального газу в результаті аеродинамічної дії впливають на процеси коагуляції і диспергування бризок чавуну, що впливає на ефективність процесу подавлення бурого диму. При дробленні струменя чавуну, в результаті удару об футеровку або об дзеркало металу, утворюється велика кількість бризок, які у момент виникнення набувають приблизно однакової швидкості. Надалі, проте, в результаті опору навколишнього середовища, дрібні бризки швидко втрачають швидкість. Крупні краплі, навпаки, практично не втрачають швидкості при проходженні через зону, прилеглу до зони утворення бризок. Таким чином, виникає відмінність швидкостей бризок, що приводить до їх зіткнень між собою і коагуляції. Найбільш вірогідні процеси осадження найдрібніших крапель на крупніших, які неначе “вимітають” простір за собою від бризок. Подача нейтрального газу назустріч аерозольній хмарі прискорює процеси коагуляції, оскільки посилюється гальмуючий вплив навколишнього середовища на дрібні бризки. З іншого боку, збільшення критичної величини швидкості нейтрального газу приводить до дроблення найбільш крупних крапель, тобто до процесу, зворотному коагуляції.
Зміна поверхні випаровування в результаті аеродинамічної дії струменів нейтрального газу виражається залежністю
;(4) де - швидкість струменя газу в зоні утворення бризок, - критична швидкість нейтрального газу, при якій починається розбризкування крапель чавуну, м/с.
Підставляючи (4) в (3) з урахуванням залежності тиску і температури від концентрації кисню, після перетворень отримаємо
; (5) де Ооб - концентрація кисню в газовій фазі % об.
Концентрація кисню залежить від співвідношення витрати нейтрального газу і кількості повітря, що надходить в ківш в результаті природних процесів ежекції і конвекції. Швидкість струменя газу в місці зустрічі з дзеркалом металу може бути виражена через витрату нейтрального газу і конструктивні параметри - число і діаметр сопел для подачі азоту, відстань від зрізу сопла до дзеркала металу.
Підставляючи ці співвідношення в (5) отримаємо
(6) де - Q - витрата нейтрального газу, м3/с; - витрата повітря, що надходить в результаті процесів ежекції і конвекції, м3/с; n-число сопел для подачі нейтрального газу, Sc - відстань від зрізу сопла до верхнього рівня металу, м; -діаметр сопла, м.
Формула (6) виражає звязок між ступенем пилоподавлення і керованими технологічними і конструктивними параметрами: витратою нейтрального газу, числом сопел, їх діаметром, кутом нахилу і відстанню до струменя металу.
З формули (6) виходить, що подача азоту впливає на два чинники, що визначають процес заглушення бурого диму: концентрацію кисню і поверхню випаровування. Спочатку подача азоту призводить тільки до зниження концентрації кисню і зростання ступеня пилозаглушення, але після того, як буде перевищено критичне значення швидкості струменя газу, почнеться розбризкування металу, що приводить до падіння ступеня пилозаглушення. Збільшення поверхні випаровування пропорційне квадрату витрати газу (кінетична енергія струменя), а зростання ступеня пилозаглушення за рахунок зниження концентрації кисню підпорядковане експоненціальній залежності від витрати газу. Тому при подальшому зростанні витрати азоту ступінь пилозаглушення знов росте.
В розділі 5 „Аеродинаміка газових потоків при переливах чавуну і розробка ефективних методів подачі нейтрального газу” досліджувалися аеродинамічні процеси, що відбуваються при переливах металу.
Потік повітря доставляє кисень в зону диспергування струменя металу, потім відбувається взаємодія кисню газової фази з бризками чавуну, і бурий дим, що утворився, виноситься з ковша потоком викидів. Тому організація подачі нейтрального газу з урахуванням газодинамічних процесів виявляється одним з чинників, що забезпечує ефективність заглушення бурого диму.
Повітря, що поступає в обєм ковша, і потік викидів повинні мати різний вміст кисню і інших компонентів. Для перевірки цього висновку були поставлені промислові експерименти по вивченню складу газової фази в обємі ковша при зливі в нього чавуну. Було встановлено, що на рівні верхньої кромки ковша поблизу струменя металу концентрація кисню становила 19,7%, на відстані приблизно половини радіуса ковша - 14,0%, а в пристінній зоні - 19,3%. Це говорить про наявність двох зон всмоктування: навколо струменя металу і в області поблизу стінки ковша, а також зони викидів між цими зонами.
Таким чином, з метою створення в ковші атмосфери з пониженим вмістом кисню, газ доцільно подавати на струмінь металу.
Для перевірки цього висновку були поставлені промислові експерименти, коли в 350-тонний ківш подавали газоподібний азот при зливі металу із 2500-тонного міксера на комбінаті “Азовсталь”. Було встановлено, що при подачі азоту в промислових умовах на струмінь чавуну під кутом 300 до горизонталі викиди знижуються в найбільше число разів, в порівнянні з іншими випробуваними варіантами подачі нейтрального газу.
У шостому розділі „Дослідження процесу подавлення бурого диму нейтральним газом при переливах чавуну в промислових умовах” наведені результати застосування способу придушення бурого диму газоподібним азотом або азотно-водяним аерозолем в промислових умовах.
Досліджувався вплив на процес придушення бурого диму керованих конструктивних і режимних чинників: режиму подачі нейтрального газу, кількості і конструкції подаючих сопел, випробовувався також варіант подачі в струмені нейтрального газу тонко розпорошеної води.
Промислові дослідження здійснювалися на одинадцяти обєктах, розташованих в шести цехах трьох металургійних заводів. Зокрема, в міксерних відділеннях конвертерних цехів Західносибірського металургійного комбінату (на двох міксерах місткістю 1300 т) і МК “Азовсталь” (на двох міксерах місткістю 2500 т), відділеннях переливу чавуну конвертерних цехів ЗСМК (на двох постановочних місцях) і Череповецького МК (на двох постановочних місцях), на ливарних дворах доменних печей ЗСМК (при розливанні чавуну із жолоба, що коливається, в міксерні чавуновози) і МК “Азовсталь” (при розливанні з двох жолобів, що коливаються, в ковші). Таким чином, теоретичні висновки пройшли практичну перевірку на різних обєктах в широкому діапазоні зміни впливаючих чинників.
У табл. 2 наведені результати дослідів під час подачі азоту через сопла діаметром 240 мм.
У табл. 3 приведені результати, що отримані у відділенні переливу ККЦ ЧЕРМК при зливі металу з 450-тонного міксерного чавуновоза в 350-тонний ківш.
У табл. 4 показані результати застосування пилоподавлення азотом при розливанні чавуну з жолоба, що коливається, в 140-тонні доменні ковші на ливарному дворі ДП-3 металургійного комбінату “Азовсталь”.
Як видно з таблиць і рисунка, експериментальні результати, в основному, потрапляють в розрахунковий інтервал. Таким чином, розроблена теорія застосована при переливах чавуну в міксерних відділеннях, відділеннях переливу і на ливарних дворах.
Таблиця 2. Результати розрахунку і експериментальні дані при подачі азоту через 2 сопла діаметром 240 мм при зливі чавуну із 2500-тонного міксера в 350-тонний ківш.
Витрата азоту, м3/с Ступінь пилозаглушення Число дослідів
Розрахунок Експеримент
0 0 0±0,055 22
2,22 0,8-0,86 0,79±0,065 4
2,5 0,78-0,85 0,84±0,070 7
2,78 0,75-0,84 0,81±0,065 3
Таблиця 3. Ступінь пилозаглушення при подачі азоту через 2 сопла діаметром 200 мм в відділенні переливу чавуну ККЦ ЧЕРМК.
Витрата азоту, м3/с Число дослідів Ступінь пилозаглушення фактичний Ступінь пилозаглушення розрахунковий
0 5 0 0
2,22 7 0,821±0,02 0,824
Таблиця 4. Результати випробовання подачі азоту в ківш при випуску чавуну на ливарному дворі ДП-3 меткомбінату “Азовсталь”
Витрата азоту, м3/ч Кількість сопел Фактичний ступінь пилозаглушення Розрахунковий ступінь пилозаглушення Число дослідів
0 0 0 0 6
3000 2 0,926±0,011 0,938 7
4500 2 0,868±0,015 0,90 7
5000 3 0,912±0,011 0,902 7
6000 3 0,927±0,007 0,942 7
З метою підвищення ступіню пилозаглушення і зниження витрати азоту були виконані дослідження по застосуванню у міксерних відділеннях і на ливарних дворах для подавлення бурого диму азотно-водяного аерозолю. В струмень азоту добавлялася розпилена вода в кількості 100-250 г/м3 азоту, за рахунок чого ступінь пилозаглушення зростала з 0,80-0,87 до 0,90-0,95 при зниженні витрат азоту приблизно на 50%.
Експериментально встановлено, що подача газоподібного азоту або азотно-водяного аерозолю практично не впливає на хімічний склад і температуру чавуну і сталі, яка виплавляється з нього.
Встановлено, що застосування пилоподавлення веде не тільки до зниження викидів в атмосферу після газоочистки, але і до зниження неорганізованних викидів, внаслідок чого на усіх обєктах впровадження поліпшився стан робочих місць.
У табл.5 наведені дані із санітарного стану робочого місця міксерового на площадці біля носка міксера в ККЦ МК “Азовсталь”.
Минулі роки успішної експлуатації установок на різних заводах показали, що технології пилозаглушення азотом або азотно-водяним аерозолем досить ефективні, прості, надійні і придатні для широкого впровадження на металургійних підприємствах.
Таблиця 5. Санітарний стан робочого місця міксерового в міксерному відділенні ККЦ меткомбінату “Азовсталь”
При роботі аспіраційної системи, але без пилозаглушення 10-50 Сліди 5,1 Немає Немає 20,5
При роботі аспіраційної системи і подачі азоту через два сопла діаметром 200 мм і витратою 8500 м3/год 4,5-12 Сліди 5,0 Немає Немає 20,0
При роботі аспіраційної системи і подачі аерозолю через 2 сопла діаметром 150 мм при витраті азоту 5500 м3/год 4,3-7 Сліди 5,1 Немає Немає 20,1
В сьомому розділі „Уловлювання графіту і утилізація вловленого пилу” розглянуто проблему уловлювання і утилізації пилу, що містить графіт. Досліджувалася крупнодисперсна фракція пилу доменних і конвертерних цехів різних металургійних заводів.
Встановлено, що пил, який виділяється під час переливу чавуну, вміщує три компоненти: дрібнодисперсний бурий дим і крупнодисперсну фракцію, що містить графітну піну і бризки металу.
Дослідження крупнодисперсної фракції із застосуванням ситового аналізу і магнитної сепарації показало, що металеві бризки зосереджені переважно в дрібних фракціях, а графітна піна - у великих.
Фракція 140-315 мкм. РЕМ. Контраст у вторинних електронах, і в характеристичному випромінюванні Fe-ka. х1500. Горизонтальний розмір кадру відповідає розміру 90 мкм. Видно, що вкраплення заліза зосереджені в нерівностях релєфу.
У табл. 6 наведені результати ситового аналізу пилу ливарного двору.
Таблиця 6. Властивості пилу ливарного двору ДП-4 металургійного комбінату ім. Ілліча
Фракція, мм Маса фракції, г Частка фракції, % Вміст Частка графіту у фракції, % Частка графіту в загальній масі, %
Метал, г Графіт, г
2,5 0 0 0 0 0 0
1,25-2,5 0,679 3,21 0,180 0,499 73,49 2,36
0,35-1,25 0,997 4,71 0,326 0,671 67,30 3,17
0,14-0,35 5,857 27,66 3,294 2,563 43,76 12,10
0,08-0,14 3,031 14,31 2,277 0,754 24,88 3,56
-0,08 10,612 50,11 9,617 0,995 9,37 4,7
Усього 21,176 100% 15,694 5,482 ___ 25,89%
Встановлено також, що залізо перебуває в графітній піні у вигляді дрібних часточок сферичної форми діаметром до 0,36 мкм, які адсорбовані на поверхні пластин в місцях нерівностей релєфу.
Для зниження викидів пилу в атмосферу пропонується пригнічувати утворення бурого диму шляхом подачі азоту або азотно-водяного аерозолю, а крупнодисперсну фракцію уловлювати в циклонах ЦН. Уловлений циклонами пил, при застосуванні пилозаглушення азотом або азотно-водяним аерозолем, містить більше 30% вуглецю і вже не є відходом, а перетворюється на товарний продукт - цінну сировину для графітової промисловості, яка виготовляє з такого пилу високотемпературне мастило для авіаційно-космічної техніки. Таким чином, повністю вирішується проблема утилізації уловленого пилу.
Уловлений пил можна додатково збагатити, застосовуючи інерційний бризковловлювач, вбудований перед циклонами (що було здійснене в міксерному відділенні ККЦ МК “Азовсталь”), відокремлюючи графітну піну від металевих бризок шляхом магнітної сепарації і/або видаляючи дрібні фракції, в яких зосереджена основна маса металевих бризок.
Таким шляхом можна отримати пил із вмістом вуглецю 50-60%, що підвищить прибуток металургійних підприємств від продажу пилу.
У восьмому розділі „Техніко-економічні показники різних методів зниження викидів при переливах чавуну” виконаний порівняльний аналіз техніко-економічних і еколого-економічних показників різних засобів зниження викидів при переливах чавуну.
Для зіставлення враховувалися наступні показники, що впливають на економічну ефективність: - капітальні і експлуатаційні витрати на газоочистку або пилозаглушення;
- плату за викиди в навколишнє середовище;
- плату за розміщення відходів на полігонах або економічний ефект від утилізації відходів;
- зниження втрат заліза з пилом при застосуванні пилозаглушення.
Капітальні витрати на установки пилозаглушення не залежать від обсягу аспірації, практично однакові за умови існуючого підведення азоту до цеху і складають 100-125 тисяч грн. при пилозаглушенні азотом і 150-180 тис. грн. при пилозаглушенні азотно-водяним аерозолем. У випадку, якщо підведення азоту до цеху відсутнє, необхідно також додатково враховувати витрати на спорудження азотопроводу, а в деяких випадках - і на спорудження компресорної станції.
Питомі капітальні і експлуатаційні витрати на системи аспірації з пилоуловлювачем наведені в табл. 7.
Експлуатаційні витрати визначені для випадку безперервної роботи устаткування протягом року.
Таблиця 7. Капітальні і експлуатаційні витрати на системи аспірації з газоочисткою
Тип газоочистки Капітальні витрати, грн. на 1 м3/год газу, що очищається Експлуатаційні витрати, грн. на рік на 1 м3/год газу, що очищається
Аспірація з електрофільтром 35-40 8,7-9,25
Аспірація з рукавним фільтром 20-25 5-10
Аспірація з очищенням в циклонах ЦН 2,75-3,5 0,35-0,65
Аналіз екологічної ефективності капіталовкладень показав, що найбільший екологічний ефект з розрахунку на одиницю капітальних витрат досягається при застосуванні пилозаглушення азотом або аерозолем у поєднанні із уловлюванням графіту в циклонах.
Експлуатаційні витрати на пилозаглушення переважно складаються з витрат на газоподібний азот і воду (при використанні аерозолю), не залежать від обсягу аспірації, а залежать від кількості чавуну, який переливається на даній ділянці, і складають 0,031-0,035 грн. на тонну чавуну при пилозаглушенні азотом і 0,027-0,037 грн. на тонну чавуну при пилозаглушенні аерозолем.
Суми платежів за забруднення атмосфери стаціонарними джерелами і за розміщення відходів на полігонах визначаються згідно з “Інструкцією про порядок нарахування і сплати збору за забруднення навколишнього природного середовища”, введеного ухвалою Кабміну України № 303 від 1 березня 1999 р. з поправками від 18.04.2007 р.
У разі застосування пилозаглушення відходи в місця складування не вивозяться, а перетворюються на товарний продукт. Ціна залежить від вмісту графіту у відходах. Застосування пилозаглушення нейтральним газом приводить до зменшення втрат заліза з бурим димом.
Загальний економічний ефект обчислюється шляхом складання економічних ефектів за всіма показниками.
Висновки
Основні наукові і практичні результати дисертаційної роботи полягають в наступному: 1. Розроблений новий метод оцінки екологічної доцільності застосування різних методів зниження викидів, заснований на зіставленні приведеної маси уловлених викидів і маси шкідливих речовин, що виділяються при виробництві енергії і матеріалів, витрачених в процесі очищення. Методика застосована для оцінки доцільності очищення при переливах чавуну. Показано, що очищення викидів від газоподібних компонентів екологічно недоцільне, а очищення від пилу доцільне в циклонах, із застосуванням фільтрів або технологічним шляхом.
2. Встановлено, що пил, який утворюється при переливах чавуну, складається з трьох компонентів, що мають різне походження і різні властивості: - бурого диму, що є дрібнодисперними частинками оксидів заліза випарного походження;
- крупнодисперних сферичних частинок, що є частково окисленими бризками чавуну;
- крупнодисперсних пластин графітної піни.
Найбільші проблеми для навколишнього середовища представляє бурий дим у звязку з труднощами при уловлюванні, а графітна піна є цінним компонентом і її доцільно утилізувати.
3. На основі теоретичного аналізу умов утворення бурого диму і експериментально, шляхом дослідження пилу, який утворюється при переливах чавуну, встановлено, що бурий дим утворюється в результаті взаємодії бризок металу з киснем газової фази. Наявність бризок і окислювальної атмосфери є обовязковою умовою виникнення диму, яке є складним, багатостадійним процесом, що включає наступні етапи: - вибух крупних бризок в результаті виділення бульбашки монооксиду вуглецю на поверхні пластин графіту в обємі краплі. Факт вибуху крапель при переливах чавуну доведений експериментально. Процес вибуху крапель чавуну при переливах металу в промислових умовах зафіксований на фотографіях. Доведено, що вірогідність вибуху залежить від розміру краплі. Вперше встановлено, що бризки більше 250 мкм вибухають завжди, бризки менше 30 мкм - не вибухають, бризки проміжних розмірів вибухають з тим більшою вірогідністю, чим більший їх розмір. Вірогідність вибуху повязана з вірогідністю наявності в обємі краплі частинки графіту;
- другим етапом виникнення диму є окислення крапель діаметром менше 30 мкм, що утворюються в результаті вибуху крупних крапель, киснем газової фази. Відбувається розігрів крапель до температур, що перевищують 2500ЄС, близьких до температури кипіння розплаву, що викликає руйнування закисної плівки, інтенсивне випаровування заліза і його оксидів з поверхні краплі. Процес окислення дрібних крапель йде в режимі тотального горіння;
- третім, таким, що завершує, етапом є окислення пари заліза і закису заліза в газовій фазі до Fe2O3, конденсація і утворення частинок бурого диму.
4. На основі вищевикладених уявлень про механізм виникнення бурого диму розроблена теорія придушення бурого диму при переливах чавуну, яка показує, що викиди бурого диму можна істотно понизити шляхом зменшення концентрації кисню в газовій фазі. Досягти цього можна, подаючи в наповнювану металом ємність газоподібний азот або азотно-водяний аерозоль. Розрахунковим шляхом отримані залежності ступеня пилоподавлення від конструктивних і технологічних параметрів - витрати нейтрального газу, кількості і діаметра сопел, їх розташування. В отриманих залежностях враховані як вплив на процес пилозаглушення зниження концентрації кисню в газовій фазі, так і процеси, повязані із зміною поверхні випаровування в результаті динамічної дії струменів газу. Таким чином, вперше теоретично обгрунтовано встановлений автором факт впливу на ступінь пилозаглушення швидкості струменя нейтрального газу.
Вперше теоретично отримана екстремальна залежність ступеня пилозаглушення від витрати нейтрального газу. Показано, що, при заданих конструктивних параметрах установки пилоподавлення, збільшення витрати нейтрального газу спочатку сприяє зростанню ступеня пилозаглушення, потім призводить до різкого зниження ефективності цього процесу, а потім знов до зростання ступеня пилозаглушення. Запропонована нова формула для розрахунку ступеня пилозаглушення залежно від керованих конструктивних і технологічних параметрів.
5. Експериментально в промислових умовах досліджена аеродинаміка газових потоків і шляхи формування факела викидів при наповненні ковша чавуном. Вперше встановлено, що зовнішнє повітря поступає в обєм ковша через дві зони, одна з яких розташована навколо струменя металу, а інша - в пристіночній області, а між цими зонами розташована зона викидів.
6. У промислових умовах досліджений вплив подачі азоту на властивості крупнодисперсної фракції пилу, що містить графіт. Встановлено, що при застосуванні пилозаглушення азотом змінюється хімічний склад ГСП - знижується вміст заліза і зростає вміст вуглецю з 13-20% до 30-40%, що перетворює цей пил на товарний продукт і повністю вирішує проблему її утилізації. Показано також, що шляхом магнітної сепарації і/або відділенням дрібних фракцій можна додатково збагатити пил, довівши вміст вуглецю приблизно до 60%, що підвищить його товарну ціну і забезпечить підвищення прибутку підприємств.
7. На основі теорії пилоподавлення розроблена технологія придушення бурого диму азотом. Технологія упроваджена при переливах чавуну в міксерному відділенні конвертерного цеху №1 Західносибірського меткомбінату на міксерах №1 і №2. Проведені промислові дослідження у відділенні переливу чавуну конвертерного цеху Череповецького меткомбінату (постановочні місця №1 і №2), на ливарному дворі доменної печі №3 Західносибірського металургійного комбінату (на жолобах, що коливаються №1 і №2). Проект установки пилозаглушення азотом придбаний металургійним комбінатом в Бенсі (Китай).
8. В результаті впровадження способу придушення бурого диму газоподібним азотом: - знизилися викиди бурого диму в атмосферу після циклонів на 80-86% без використання другого ступеня газоочистки;
- збільшився вміст вуглецю в пилу, що уловлений циклонами, з 13-20% до 30-40% за рахунок зниження частки оксидів заліза, що перетворило уловлений пил на товарний продукт;
- зменшився чад заліза при переливах, за рахунок чого досягнута економія чавуну на кожному обєкті;
- покращав санітарний стан робочих місць без збільшення продуктивності димососів.
Встановлено також, що застосування азоту не приводить до істотних змін хімічного складу і температури металу і не впливає на технологічний процес переробки чавуну.
9. З метою підвищення ефективності пилозаглушення і скорочення витрати азоту була розроблена теорія і технологія пилозаглушення азотно-водяним аерозолем, випробувана в промислових умовах і упроваджена в міксерному відділенні конвертерного цеху металургійного комбінату “Азовсталь” на міксерах №1 і №2 і на ливарному дворі доменної печі №3 меткомбінату “Азовсталь” на жолобах, що коливаються №1 і №2. Розробка технології пилозаглушення азотно-водяним аерозолем проводилася за рахунок гранту, наданого Агентством міжнародного розвитку США.
10. В результаті впровадження технології пилозаглушення азотно-водяним аерозолем був досягнутий ступінь пилозаглушення 90-95% при скороченні витрати азоту на 50% в порівнянні з пилозаглушенням азотом. Досягнення високої ефективності методу при малих витратах азоту робить можливим широке впровадження цієї технології, оскільки незначні витрати азоту є практично на всіх металургійних заводах України.
11. Впровадження технологій пилозаглушення азотом і азотно-водяним аерозолем забезпечило підвищення екологічної безпеки при переливах чавуну і економічний ефект на обєктах впровадження. За виконання робіт в рамках міжнародних контрактів до України поступило 78 тис. доларів США.
Список наукових праць, що опубліковані за темою дисертації
Кравец В.А. Подавление бурого дыма при переливах чугуна: Монография. - Донецк: Издательство “УКРНТЭК”, 2002 - 186 с.
А.с. 1603778 СССР, МКИ С 21 С. Устройство для заливки жидкого чугуна сверху / Левитасов Я.М., Кравец В.А., Седов Г.Н., Рехтин Н.Е., Суетов В.Г. (СССР). - 1991, ДСП.
Кравец В.А. Подавление бурого дыма азотом при переливах чугуна (на китайском языке) // Ventilation and dust control (Китай) - 1994 - №1 - р.52-53.
Патент 20376 А Украина. Спосіб заглушення утворення бурого диму при наповненні місткості рідким металом / Кравец В.А., Файнерман В.Б., Джепа Т.И., Заруев А.В. (Украина). - 1995, Бюл. №2.
Кравец В.А. Изменение поверхности испарения капельного аэрозоля в результате внешнего динамического воздействия // Вестник ДОНГАСА. - 1998 - №2 - С.92-94.
Кравец В.А., Недопекин Ф.В., Саржевский В.Н., Белоусов В.В. Механизм образования бурого дыма при переливах чугуна // Вісник Донецького університету. - 1998 - №2 - С.145-149.
Недопекин Ф.В., Кравец В.А., Саржевский В.Н., Погребняк В.Г. Модель процесса пылеподавления при переливах металла путем подачи нейтрального газа. // Вестник ДОНГАСА, выпуск 98-2, 1998. - С.127-133.
Кравец В.А. Снижение выбросов пыли в атмосферу при переливах жидкого чугуна путем подачи нейтрального газа // Вестник ДОНГАСА. - 1999 - №3 - С.95-97.
Кравец В.А. Образование и подавление бурого дыма при переливе чугуна // Вестник Приазовского ГТУ. - 1999 - №8 - С.16-24.
Кравец В.А., Темнохуд В.А., Саржевский В.Н. Механизм образования бурого дыма при переливах чугуна // Труды ДОНГТУ. Металлургия. - 1999 - вып.14 - С.9-15.
Кравец В.А. Повышение качества утилизируемой графитсодержащей пыли в процессе улавливания // Вестник ДОНГАСА. - 2000 - №2 - С.32-33.
Кравец В.А., Кульченко В.В., Морозов В.В., Семенова З.С. Применение газоочисток различных типов при переливах чугуна / Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2000 - №3 - С.66-69.
Кравец В.А., Толстых А.С., Недопекин Ф.В. Снижение выбросов металлургического бурого дыма при переливах чугуна путем подачи нейтрального газа // Вестник ДОНГАСА. - 2000 - №3 - С.6-7.
Кравец В.А., Петренко С.С. Влияние подачи нейтрального газа на аэродинамику выбросов при наполнении ковша чугуном / Известия вузов. Черная металлургия. - 2001 - №1 - С.59-62.
Кравец В.А., Толстых А.С., Саржевский В.Н., Кравец А.В. Обзор методов снижения выбросов в атмосферу при переливах чугуна // Вестник ДОНГАСА. - 2001 - №2 - С.72-77.
Кравец В.А., Темнохуд В.А., Откидач В.В., Мацурина М.И. Оценка вклада процесса эжектирования воздуха струей металла в формирование факела выбросов при наполнении ковша чугуном // Научно-методический сборник “Наука - практика”, Донецк: ДОНГТУ - 2001 - вып.6 “Металлургия”. С. 108-114.
Кравец В.А, Недопекин Ф.В., Бодряга В.В. Аэродинамика выбросов при переливах чугуна // Вестник ДОНГАСА, 2001, №6. С. 3-7.
Кравец В.А. Снижение дымообразования при переливах чугуна. / Труды ДОННТУ. Металлургия, 2002, вып.40. С. 15-21.
Недопекин Ф.В., Кравец В.А., Бодряга В.В. Процессы тепломассопереноса в брызгах чугуна, приводящие к образованию бурого дыма // Вісник Донецького університету, 2002, вып.2. С.270-275.
Недопекин Ф.В., Кравец В.А., Бодряга В.В. Процессы переноса в период образования бурого дыма при переливах чугуна / Теория и практика металлургии, 2003, №2. С.26-31.
Недопекин Ф.В., Кравец В.А., Бодряга В.В., Тимаков В.В. Исследование экологической проблемы образования бурого дыма / Металлургическая теплотехника. Сборник научных трудов. Днепропетровск: Пороги, 2004. С. 221-229.
25. Кравец В.А. Подавление бурого дыма и графитоулавливание при переливах чугуна / Материалы VII Международной научно-технической конференции “Тепло- и массообменные