Современная экологическая обстановка в отдельных странах и регионах оставляет желать лучшего. Миссия нашего сайте — обеспечить русскоязычных жителей планеты Земля актуальной информацией о защите окружающей среды, экологической безопасности и экологии в целом.

Полезные ресурсы и публикации:
-

Л.И. Бондалетова
Промышленная экология

Учебное пособие / Том. политехн. ун-т. - Томск, 2002. - 168 с.

Предыдущая

Глава 5. Черная металлургия

5.1. Источники загрязнения атмосферы

Загрязнения атмосферы воздуха выбросами предприятиями черной металлургии с полным металлургическим циклом следует рассматривать по отдельным видам производства:

– коксохимическое;

– доменное;

– сталеплавильное.

Выбросы коксохимического производства

Коксование - метод переработки жидких и твердых горючих ископаемых нагреванием при 900-1050 оС без доступа воздуха. Топливо при коксовании разлагается с образованием летучих веществ (до 25%) и твердого остатка. Основные продукты коксохимии: кокс каменноугольный (76-78 %), коксовый газ (14-15 %), различные химические продукты (5-6 %), например бензол, нафталин, антрацен, инден - кумароновые смолы, каменноугольные масла.

В коксохимическом производстве основными процессами, связанными с наибольшими выбросами в атмосферу, являются подготовка шихты, ее транспортировка, загрузка шихты в камеры коксовых печей, коксование, выгрузка готового кокса, его охлаждение, а также производство побочных продуктов коксования.

Уголь из бункера ленточными транспортерами подается в смеситель, а затем в дробилку. После дробления готовая для коксования шихта транспортируется в угольные башни, откуда в вагонах подается к камерам коксовых печей. Коксовые батареи отапливают смесью доменного и коксового газов. Продукты сгорания этих газов выбрасывают в атмосферу через дымовую трубу. Коксовые батареи являются источниками выброса пыли, смол и токсичных газов.

Горячий кокс выгружается в тушильные вагоны, которые доставляют его к тушильным башням, где осуществляется охлаждение его водой. После прохождения через тушильные башни охлажденный кокс сбрасывают на рампу, где он продолжает охлаждаться. На всех вышеперечисленных стадиях происходит значительное выделение пыли, газов и загрязненных паров воды.

Коксовый газ полностью или частично используют для производства различных химических соединений, и это производство также является источником загрязнения атмосферы.

Выбросы от коксохимического производства содержат оксид углерода (на порядок больше других примесей), угольную и коксовую пыль, сернистый ангидрид, цианиды, ароматические углеводороды, аммиак, фенол, сероводород (соединения расположены в порядке снижения их содержания).

Выбросы агломерационного производства

Вторым после коксохимического производства по количеству выбросов источником загрязнения при производстве чугуна является отделение подготовки шихты (смесь руды, кокса, флюса) для доменной плавки, основным объектом которого является агломерационная фабрика.

Переработка железных руд с небольшим содержанием железа (40-46 %) связана со значительным расходом топлива, флюсов, снижением производительности доменных печей и, следовательно, с увеличением себестоимости. Поэтому «бедные руды» подвергают обогащению, в результате чего удаляется значительная часть пустой породы и вредных примесей. В зависимости от свойств руды применяют гравитационный, магнитный, флотационный способы обогащения. В результате обогащения получают концентраты с содержанием железа до 65-67 %, представляющие тонкодисперсную фракцию, которая по своим физическим свойствам не может использоваться в доменном процессе. Следовательно, следующим этапом рудоподготовки является агломерация.

Схема процесса спекания (образование агломерата) следующая: из бункеров руда вместе с коксом и флюсами с помощью ленточного транспортера подается к зажигательному горну. Кислород воздуха, просасываемый через шихту, поддерживает горение угля в шихте, необходимое для агломерации. Агломерат с транспортера сбрасывается в дробилку, из которой поступает на грохот (сито) для отделения мелочи. Далее куски определенного размера попадают в роторный холодильник, где охлаждаются воздухом, а мелкие удаляются в контейнер. Охлажденный агломерат подается в накопители агломерата, откуда в вагонах транспортируются в доменный цех.

К крупным источникам пыли при подготовке шихты относятся участки разгрузки руды, размола и грохочения известняка, размола доломита, коксика, руды, дробления агломерата, транспортировки агломерата к вагонам и возвращение остатков агломерата. Причиной повышенного пылевыделения являются низкая влажность шихтовых материалов, которая не должна превышать 8-10 %, и их повышенная сыпучесть. Пыль, образующаяся на складах, крупнозернистая, ее свойства зависят от свойств и состава отдельных шихтовых материалов.

Следует отметить, что свойства выбросов резко отличаются на разных металлургических предприятиях. Даже при агломерации количество выбросов различно по длине агломерационной ленты: в первой половине количество пыли невелико из-за повышенной влажности шихты и недостаточной газопроницаемости шихты (слипшаяся шихта); во второй половине влажность снижается, агломерат растрескивается, следовательно, увеличивается пылевыделение. Максимальное пылевыделение происходит при сбрасывании агломерата с транспортера (длина транспортера примерно 60 м, ширина 3-5 м, высота шихты 0,3 м). Отходящие агломерационные газы сильно загрязнены сернистым ангидридом, пылью, содержат оксид и диоксид углерода, кислород; температура газа 110-145 оС. Пыль содержит примерно 38 % связанного железа (Fe3O4, Fe2O3), 0,37 % металлического железа, оксиды и карбонаты кальция и магния CaO+CaCO3, MgO, оксиды натрия и калия Na2O+K2O, оксиды кремния и алюминия SiO2, Al2O3, соединения марганца цинка, фосфора MnО2, ZnS, P2O5.

При сбрасывании агломерата с транспортерной ленты с температурой 500-700 оС и дальнейшем его охлаждении воздухом также выделяется пыль.

Выбросы на участке агломерации составляют 10-20 % от количества загрязнений всего предприятия.

Выбросы доменных цехов

Процесс выплавки чугуна в доменной печи заключается в восстановлении оксидов железа углеродом, оксидом углерода и водородом. Углерод поступает в доменную печь в составе кокса, пылевидного топлива, вдуваемых газов, водород ‑ в составе природного газа, мазута и других добавок.

Доменную печь сверху последовательно загружают шихтой: железной рудой, смешанной с флюсами, затем коксом, опять железной рудой и т. д. Снизу вдувают нагретый воздух, обогащенный кислородом; кокс сгорает:

С + О2 = СО2 +402 кДж

В результате этой экзотермической реакции температура достигает 1850 оС. Образующийся диоксид углерода, поднимаясь, соприкасается с раскаленным углем и реагирует с ним:

СО2 + С = 2СО

Оксид углерода является основным восстановителем железа из его оксидов, хотя в этом процессе участвует также и твердый углерод, содержащийся в коксе. Восстановление железа оксидом углерода происходит последовательно: Fe2О33О4 (Fе2О3•FeO)FеОFе.

Частично восстанавливаются также из оксидов марганец, кремний, фосфор и сера. Восстановленное железо в жидком состоянии растворяет эти вещества, и образуется жидкий чугун.

В железной руде содержатся тугоплавкие примеси. Для того чтобы их расплавить и удалить, к загружаемым в доменную печь железной руде и коксу добавляют так называемые флюсы или плавни. Они образуют с примесями легкоплавкие соединения, называемые шлаками. Обычно руда содержит оксид кремния (SiO2), потому в качестве флюсов применяют известняк или доломит, взаимодействующий с оксидом кремния с образованием легкоплавкого силиката кальция — одной из составных частей шлака:

СаСО3 = СаО + СО2

СаО + SiО2  = СаSiO3

Основным продуктом доменного процесса является чугун, содержащий кроме железа 3-5 % C; 0,3-2,5 % Si; 0,5-6,0 % Mn; 0,08-2,2 % P; 0,03-0,12 % S. Дополнительными продуктами процесса являются доменный газ, содержащий 60 % N2, 30 % CO, 10 % СО2 и много пыли. После удаления пыли этот газ используют для подогрева воздуха и как горючий газ. Кроме этого, дополнительным продуктом является доменный шлак, состоящий из алюмосиликата кальция и используемый для приготовления щебня, гравия, шлакобетона, пенобетона, шлаковаты и др.

Доменное производство сопровождается выделением больших количеств пыли и газов в процессе загрузки шихты, выпуска шлака и чугуна из доменной печи. При загрузке шихты в доменную печь выделяется большое количество пыли (десятки кг/ч, размер частиц 0,2-100 мкм). Выпуск чугуна и шлака из печи сопровождается выделением оксида углерода, диоксида серы, различных углеводородов, цианистых соединений. Источниками газовыделения могут быть также трещины в кладке и кожухе доменной печи, неплотности соединений отдельных элементов конструкций.

Временным фактором является также наличие высоких концентраций пыли в воздухе рабочей зоны при выпуске чугуна и шлака. Максимальные пылевыделения наблюдаются из главного желоба при выпуске чугуна. В зоне чугуновозного ковша образуется облако пыли, состоящее в основном из графита мелких фракций. Наиболее эффективным средством борьбы с пылью является устройство аспирации.

Вместе с доменным газом из печи выносится пыль, внесенная вместе с шихтой, и пыль, образующаяся при трении столба шихты в самой доменной печи (механическая пыль). Пыль состоит из оксидов железа, кремния, алюминия, магния, кальция, марганца, может быть и сера. Основные составляющие доменного шлака (CaO, MgO, SiO2, Al2O3) обладают очень высокой температурой плавления, и в доменной печи нет условий для их возгонки. В доменной шихте содержится небольшое количество цинка, который уже при 900 оС испаряется, пары его в верхней части печи окисляются и оседают на стенках колошника (конденсирующаяся пыль), образуя наросты, мешающие работе печи. Часть оксидов цинка и цинк в пылеобразном состоянии удаляются вместе с газами в газопровод.

В доменной печи создаются условия для перехода оксидов и силицидов калия и натрия в карбонаты, цианиды, иногда в сульфиды и хлориды. Карбонаты и цианиды образуются в зоне высоких температур, могут вступать в реакции со шлаком и чугуном и частично уноситься газами.

Расплавленные чугун и шлак являются источником интенсивных тепловых излучений. Конструкционные элементы доменной печи также являются источником значительных тепловых выделений в производственное помещение. Для снижения вредного воздействия тепла на организм человека устанавливают стационарные или неподвижные вентиляционные установки, чаще всего с устройствами для водораспыления.

К вредным производственным факторам относятся также повышенные уровни шума, вибраций при проведении некоторых операций, однако доля воздействия их на формирование условий труда по сравнению с остальными вредными факторами производства является незначительной.

Выбросы сталеплавильных цехов

В сталеплавильном производстве образование токсичных выбросов связано в основном с выплавкой стали в конверторах, в мартеновских и электросталеплавильных печах. Сюда же следует отнести и вспомогательные отделения сталеплавильных цехов.

Передел чугуна в сталь основан на удалении из него серы и фосфора, а также снижении содержания углерода и кремния посредством окисления. Эти примеси нежелательны, так как сера придает стали красноломкость (при горячей механической обработке в ней образуются трещины), а фосфор ‑ хладноломкость (хрупкость при обработке в обычных условиях).

Процесс окисления примесей, содержащихся в чугуне, довольно сложный. Объясняется это тем, что при соприкосновении кислорода с жидким чугуном окисляются не только примеси, но и железо:

Образовавшийся оксид железа (2+) тоже принимает участие в окислении примесей. Для удаления оксидов кремния и фосфора к перерабатываемому чугуну добавляют известь:

Образовавшиеся силикат и ортофосфат кальция ‑ легкоплавкие вещества, они в виде шлака всплывают на поверхность расплавленной стали. После окончания окислительных реакций обычно в стали еще остается некоторое количество оксида железа (2+), который ухудшает ее свойства. Для его удаления в расплавленную сталь добавляют так называемые раскислители, например ферромарганец. Силикат марганца (2+) удаляется в виде шлака:

Существует несколько способов переработки чугуна в сталь. Все они основываются на рассмотренных выше окислительно-восстановительных реакциях.

Кислородно-конверторный способ

При переработке чугуна в сталь по этому методу процесс окисления примесей осуществляется в больших металлических сосудах грушевидной формы, так называемых конверторах. Основное достоинство этого способа заключается в том, что он экономичен. Для поддержания нужной температуры в конверторе не требуется сжигать топливо. Необходимая температура (около 1700 °С) достигается в результате экзотермических реакций окисления примесей. При замене воздуха кислородом окисление примесей протекает очень быстро. После окончания процесса наклоняют конвертор, сливают шлак и выпускают готовую сталь.

В этом процессе имеют место следующие вредные производственные факторы: тепловыделения от технологического оборудования и расплавленных металла и шлака; выделение газов, образующихся при продувке конвертора; выделение пыли, образующейся при транспортировке сыпучих материалов, продувке конвертора, сливе стали и шлака из конвертора, ломке футеровки конвертора и ковшей.

В современных конверторных цехах содержание газов в воздушной среде незначительно, токсичные газы (СО, SO2) в основном выделяются при продувке конвертора, сушке отремонтированных конверторов и ковшей, при выпуске чугуна и стали. В конверторных газах до 90 % СО, поэтому его направляют после очистки от пыли в котлы-утилизаторы, а оставшийся газ сжигают или используют как топливо или химическое сырье.

Среднее количество пыли, содержащейся в конверторных газах, составляет 25-30 кг/т. Около 80 % пыли имеет размер до 5 мкм, 5-15 % ‑ 1 мкм. Образующаяся в период продувки бурая пыль почти на 100 % состоит из оксидов железа. В небольшом количестве в ней содержатся следующие соединения: Na2O, CaO, MnO, ZnO, PbO, Cr2O3. Пыль также выделяется при перегрузке шихтовых материалов, кладке конверторов и ковшей, при ремонте.

Мартеновский способ

При производстве стали этим способом окисление примесей осуществляется в мартеновской печи. Температура в печи составляет 1700-1750°С.  Но в мартеновской печи в отличие от кислородного конвертора воздух (или воздух, обогащенный кислородом) пропускают не через расплавленный чугун, а над ним, следовательно, примеси окисляются только с его поверхности. Внутри расплавленной массы окисление примесей происходит за счет кислорода оксидов железа, содержащихся в железном ломе. Преимущество мартеновского способа заключается в том, что процесс переработки чугуна в сталь можно легко контролировать и получать стали различных марок.  В мартеновских печах удобно перерабатывать и железный лом.

При выплавке стали выделяются значительные количества пыли и газа в производственное помещение, кроме этого к вредным производственным факторам относятся тепловые и световые излучения, а также шум и вибрация.

Высокая температура в рабочем пространстве мартеновской печи приводит к испарению металла и шлака и последующей конденсации с образованием пыли мелких фракций. В печи создается постоянное избыточное давление, поэтому часть газов, а следовательно, пыли выходит через различные неплотности. При заливке чугуна в печь, выпуске, раскислении и разливке стали также выделяется много пыли, количество которой, ее химический и гранулометрический составы зависят от состава и свойств шихтовых и заправочных материалов, топлива и применяемых для футеровки огнеупоров. Пыль в основном состоит из оксидов железа. Если в состав шихты входит обрезь белой жести, то в пыли, выносимой из печи, до 50 % оксида цинка. Кроме этого в пыли обычно содержатся SiO2, CaO, MgO, Al2O3, MnO, реже P2O5, CuO, Cr2O3, SnO2, SbO3, TiO2, CaF2. В пыли и газах могут присутствовать и соединения серы, содержащиеся в мазуте, применяемом для отопления печей. В отечественной и зарубежной практике еще не найдены удовлетворительные конструктивные решения по организации пылеулавливания при заливке чугуна в печь и выпуске из нее стали.

Выделение газов происходит при открывании окон печи, при выпуске и раскислении стали в ковше, а также в результате неплотностей огнеупорной кладки, нарушения целостности газовых коммуникаций. Газы содержат: 14-18 % СО2, 2-5 % О2, 0,5 % СО, 70 % N2. Наиболее опасный газ СО образуется в результате неполного сгорания топлива, химических реакций в процессе плавки, а также является составной частью коксового газа, идущего на отопление мартеновской печи.

Твердые отходы ‑ шлак спускают через отверстие в полу рабочей площадки в коробки и ковши.

Источниками излучения являются факел пламени, нагретая до высоких температур огнеупорная футеровка внутреннего пространства печи и поверхность расплавленного металла (шлака), воздействие которых проявляется при открытых окнах печи. Кроме того, источниками излучений являются заливаемый чугун, жидкий шлак, скачиваемый из печи, расплавленный металл при выпуске и разливке стали. Все источники излучения имеют температуру более 500 оС, поэтому спектр излучения содержит световые и инфракрасные лучи. Вредное воздействие теплового излучения мартеновских печей выше, чем в других цехах. Для защиты от тепловых излучений и создания необходимых условий труда в мартеновских цехах применяют: тепловую изоляцию поверхностей, излучающих тепло; ускоренное проведение операций, связанных с заливкой чугуна, скачиванием шлака, выпуском и разливкой стали; тепловую изоляцию рабочих мест; естественную и механическую вентиляцию и водораспыление на рабочих местах.

Производство стали в электропечах

В электропечах необходимая температура (около 2000 °С) достигается с помощью дугового метода. Это позволяет получать высококачественные легированные стали с высокими температурами плавления. Кроме того, сооружение электропечей обходится значительно дешевле, чем мартеновских.

В период плавления в дуговой печи загрязняющие вещества образуются как под влиянием механических воздействий, так и в результате влияния высокой температуры. Высокая температура дуги приводит к образованию мелкодисперсной пыли. Вследствие нестабильности горения дуги происходит разбрызгивание металла и шлака, что приводит к дополнительному шлакообразованию. Независимо от технологии плавки в пыли всегда присутствует оксид железа (3+).

В период плавки в результате окисления углерода образуется оксид углерода. Увеличение объема газов в рабочем пространстве и увеличение температуры приводит к выделению газообразных продуктов через неплотности в кладке и арматуре. Запыленность газов низкая, колеблется в пределах 0,04-5 г/м3, что объясняется большим избытком подсасываемого воздуха.

Предыдущая