НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ ПРИРОДООХОРОННОГО І КУРОРТНОГО БУДІВНИЦТВА

Кравець Василь Анатолійович

УДК 669.162.252

ПІДВИЩЕННЯ ЕКОЛОГІЧНОЇ БЕЗПЕКИ МЕТАЛУРГІЙНОГО ВИРОБНИЦТВА ПРИ ПЕРЕЛИВАХ ЧАВУНУ

21.06.01 – екологічна безпека

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Сімферополь-2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донбаській національній академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант – Погребняк Володимир Григорович, д.т.н., проф.,

проректор Донецького національного університету економіки і торгівлі ім. Туган-Барановського, професор кафедри “Прикладна екологія і хімія” Донбаської національної академії будівництва і архітектури.

Офіційні опоненти:

Чернятевич Анатолій Григорович – д.т.н., проф., завідуючий кафедрою руднотермічних процесів Дніпродзержинського державного технічного університету.

Андронов Володимир Анатолійович – д.т.н., доцент, начальник факультету цивільного захисту населення і територій Університету цивільного захисту України (МНС, м. Харків).

Куркчи Усейн Мустафаєвич – д.т.н., проф., завідуючий кафедрою хімії Кримського інженерно-педагогічного університету.

Захист дисертації відбудеться “ 18 ” січня 2008 р. о 13-00 години на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 52.079.03 в Національній академії природоохоронного і курортного будівництва, за адресою:

95493, м. Сімферополь, вул. Павленка, 5, кімната 102.

З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці за адресою:

95000, м. Сімферополь, вул. Київська, 181

Автореферат розісланий “____”____________ 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

к.т.н., доцент Пашенцев О.І

.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

Актуальність теми. Проблема забруднення атмосфери викидами пилу, що утворюється при переливах розплаву чавуну в доменних і сталеплавильних цехах, в даний час не вирішена і є чинником, що стримує розвиток чорної металургії. Рішення цієї задачі є умовою подальшого розвитку металургії, зокрема, у зв'язку з майбутньою сертифікацією згідно з ISO 14000, яка, мабуть, найближчими роками стане обов'язковою для підприємств, що випускають продукцію на експорт.

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). Пил створює санітарні проблеми на робочих місцях і забруднює навколишнє середовище.

Для зниження викидів, як правило, здійснюють їх відведення за допомогою димососів великої потужності з подальшим очищенням від пилу і скиданням очищених газів в атмосферу. Очищення відведених газів повинне проводитися в два ступені, коли як перший ступінь застосовуються циклони, що уловлюють графітний пил (придатний для утилізації), а як другий ступінь, для уловлювання дрібнодисперсного бурого диму, застосовують рукавні фільтри або електрофільтри - дорогі, громіздкі і складні в експлуатації апарати. Пил, уловлений фільтрами, зазвичай вивозять у відвал.

Таким чином, використання традиційних методів зниження викидів при переливах металу вимагає значних капітальних і експлуатаційних витрат і приводить до утворення відходів. 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.

Зв'язок з науковими програмами і темами. Основні дослідження теоретичного і прикладного характеру виконувалися відповідно до плану науково-дослідних робіт Мінпромполітики України (тема № 97/422). Частина роботи виконана в рамках міжнародних контрактів з металургійним комбінатом в м. Бенсі (Китайська народна республіка) в 1992-93 рр., і з Агентством міжнародного розвитку США в 1997 р. (№12-152), а також за прямими договорами з металургійними підприємствами – металургійним комбінатом “Азовсталь”, Західносибірським металургійним комбінатом і Череповецьким металургійним комбінатом. Державна реєстрація цих робіт не проводилася. Автор дисертації брав участь у виконанні робіт як науковий керівник і відповідальний виконавець.

Мета роботи. Розробка методів підвищення екологічної безпеки металургійного виробництва при переливах чавуну.

Поставлену мету досягнуто шляхом рішення наступних задач:

- оцінка доцільності використання різних методів зниження викидів при переливах чавуну;

- розробка теорії утворення бурого диму стосовно процесів переливу чавуну;

- теоретичне і експериментальне дослідження впливу на процес виникнення пилу різних чинників в умовах переливів чавуну;

- дослідження аеродинаміки процесів формування і виділення викидів;

- розробка, на основі теоретичних уявлень, технології придушення бурого диму шляхом подачі нейтрального газу;

- випробування розробленої технології в промислових умовах і впровадження її на підприємствах чорної металургії в Україні і за кордоном;

- дослідження властивостей пилу, що вміщує графіт, і розробка методів її збагачення і утилізації.

Об'єкт досліджень. Викиди в атмосферу і відходи, що утворюються, при переливах чавуну.

Предмет досліджень. Оцінка доцільності використання різних методів зниження викидів при переливах чавуну, закономірності утворення і виділення викидів і розробка ефективних технологічних методів їх зниження, а також проблема утилізації уловленого пилу.

Методи дослідження. Аналітичне математичне моделювання фізико-хімічних процесів, пов'язаних з виникненням і виділенням викидів при переливах чавуну, експериментальне дослідження параметрів викидів і властивостей пилу, зіставлення параметрів викидів при застосуванні різних методів їх зниження і при переливах без застосування таких методів.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Запропоновано новий метод оцінки доцільності застосування різних видів газоочистки, що полягає в зіставленні маси уловлених шкідливих речовин і викидів в атмосферу при виробництві енергії і матеріалів, необхідних для здійснення процесу газоочистки. Встановлено, що існують мінімальні значення вмісту шкідливих речовин в потоці викидів, при перевищенні яких очищення доцільне.

2. Отримала подальший розвиток і підтверджена експериментально теорія утворення бурого диму стосовно процесів переливу чавуну. Експериментально підтверджено, що одним з етапів виникнення бурого диму є вибух бризок металу при виділенні бульбашки монооксиду вуглецю на поверхні графітових включень. Вперше встановлено, що бризки діаметром менше 30 мкм при переливах не вибухають, краплі розміром більше 30 мкм вибухають із тим більшою вірогідністю, чим більший розмір мають краплі, а краплі розміром 250-2000 мкм вибухають з 100% вірогідністю.

3. Вперше отримана залежність поверхні випаровування бризок металу від параметрів подачі нейтрального газу. Встановлено, що при збільшенні швидкості нейтрального газу до критичної величини відбувається коагуляція крапель і зменшення поверхні випаровування, а при перевищенні критичної швидкості відбувається диспергування металу і збільшення поверхні випаровування.

4. Вперше отримано вираз, що описує вплив на процес утворення бурого диму керованих технологічних і конструктивних параметрів подачі нейтрального газу, і теоретично встановлено екстремальний характер залежності ступеня пилоподавлення від витрати нейтрального газу. Отримані залежності підтверджені експериментально в промислових умовах.

5. Експериментально в промислових умовах досліджені газодинамічні процеси формування факела викидів при переливах чавуну і вперше встановлено, що зовнішнє повітря надходить в об'єм ковша через дві зони, одна з яких розташована навколо струменя металу, а інша – в пристінній області , а між цими зонами розташована зона викидів.

6. Вперше показано, що наявність в газоподібному азоті краплинної води в кількості 100-250 г/м3 азоту підсилює ефект придушення процесу утворення бурого диму.

7. Уточнені властивості великодисперсної, що вміщує графіт, фракції пилу – другого, після бурого диму, компонента викидів. Встановлено, що крупнодисперсна фракція складається з двох різнорідних компонентів: бризок чавуну і частинок графітної піни, причому бризки металу переважно зосереджені в дрібних фракціях, а графітна піна – у великих фракціях. Встановлено, що при подачі нейтрального газу збільшується вміст графіту в пилу з 13-20% до 30-40%, а у поєднанні з відділенням дрібних фракцій до 50-60%, що перетворює цей пил на товарний продукт і вирішує проблему її утилізації.

Практичне значення отриманих результатів. Полягає в тому, що на основі теоретичних і експериментальних результатів розроблена технологія придушення утворення бурого диму шляхом подачі нейтрального газу. Новизна технічних рішень підтверджена авторськими свідоцтвами СРСР і патентом України.

Для випадків, коли необхідно забезпечити підвищений ступінь пилоподавлення при нестачі нейтрального газу, вперше розроблена і теоретично обґрунтована технологія придушення бурого диму азотно-водним аерозолем, що отримується шляхом добавки в газоподібний азот невеликих кількостей розпиленої води.

Реалізація результатів роботи. Розроблену технологію придушення бурого диму азотом впроваджено в міксерному відділенні конвертерного цеху №1 Західносибірського металургійного комбінату і на ливарному дворі доменної печі №3 комбінату “Азовсталь”.

Технологію придушення бурого диму азотно-водяним аерозолем впроваджено в міксерному відділенні конвертерного цеху і на ливарному дворі доменної печі №3 металургійного комбінату “Азовсталь”.

В результаті впровадження розроблених технологій досягнуто зниження викидів бурого диму в атмосферу на 85-95% без застосування додаткових газоочисних апаратів і поліпшення санітарного стану робочих місць без збільшення потужності димососу. На ливарному дворі доменної печі №3 металургійного комбінату “Азовсталь” зниження викидів і поліпшення санітарного стану на робочих місцях було досягнуто взагалі без застосування системи аспірації.

Застосування розроблених технологій дозволило перетворити уловлений пил, що містить графіт, на товарний продукт і вирішити проблему його утилізації.

Результати роботи використані при виконанні робочого проекту реконструкції конвертерного цеху металургійного комбінату в Бенсі (Китай) і при виконанні пілотного проекту в рамках контракту з Агентством міжнародного розвитку (АМР США). За виконання робіт в рамках міжнародних контрактів до України надійшло 78 тис. доларів США.

Розроблені технології придатні для широкого впровадження на металургійних підприємствах СНД і в далекому зарубіжжі.

Результати дисертаційної роботи використані Донбаською національною академією будівництва і архітектури, Донецьким національним технічним університетом і Донецьким національним університетом в навчальному процесі при підготовці студентів, магістрантів і аспірантів за спеціальностями, пов'язаними із захистом навколишнього середовища в чорній металургії.

Особистий внесок здобувача.

Наведені в дисертації результати отримані автором протягом приблизно 15 років в рамках договорів з Мінпромом України, міжнародних контрактів з КНР і США, а також за прямими договорами з металургійними заводами. Особистий внесок здобувача полягає в наступному:

?

?

?

?

?

У всіх публікаціях із співавторами основні ідеї належать авторові даної роботи.

В той же час слід зазначити, що спільно з автором в роботі брали участь Джепа Т.І., Саржевський В.М., Тимаков В.В., Бодряга В.В. і Якуніна Л.В. Користуючись випадком, автор приносить всім їм щиру подяку за надану допомогу.

Апробація результатів дисертації

Основні результати і матеріали досліджень доповідалися і обговорювалися:

- на засіданнях науково-технічної ради Українського наукового центру технічної екології;

- на міжнародному симпозіумі “Проблеми екології в металургійному виробництві” в 1990 р. в м. Маріуполі;

- на міжнародних конференціях “Екологія і теплотехніка” в 1996 р. в м. Дніпропетровську, “Тепло і масообміні процеси в металургійних системах” в 2006 в м. Маріуполі, “Екологічна безпека: проблема і шляхи вирішення” в 2007 р. в м. Алушта;

- на українських конференціях “Охорона навколишнього середовища і раціональне використання природних ресурсів” в 1993 р. в м. Донецьку, “Екологія промислового міста” в 1997 р. в м. Маріуполі, Всеукраїнській науково-практичній конференції “Екологія. Людина. Суспільство” в 2000 р. в м. Києві і “Розвиток, пріоритети, реалізація та перспективи процесу “Довкілля для Європи”” у 2004 р. в м. Донецьку;

- у повному обсязі закінчена дисертаційна робота докладалася на засіданні науково-технічної ради Українського наукового центру технічної екології, на наукових семінарах кафедри безпеки життєдіяльності і екології Донбаської державної академії будівництва і архітектури і кафедри руднотермічних процесів і маловідходних технологій Донецького національного технічного університету.

Публікації

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 miэ, miм - питомі викиди на одиницю енергії і матеріалів, відповідно, г/(кВтч) і г/т матеріалу; э,г м - питомі витрати енергії і матеріалів, відповідно, кВтч/1000 м3 і т/1000 м3 газу, що очищається; - ступінь очищення газу; - відносна частка часу уловлювання викидів в загальному часі роботи газоочистки; Аi = 1/ГДКi – коефіцієнт відносної небезпеки i-ї речовини, м3/мг; A /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. На рис.1 і 2 представлені фотографії різних фракцій бризок металу. У правому нижньому кутку фотографії лінією показаний масштаб знімка. Цифрами вказані, зліва направо: довжина характерного розміру (у мкм), збільшення об'єктива, дата і номер кадру.

Процес вибуху бризок чавуну був також безпосередньо зафіксований при кінозйомці зливу чавуну з міксера в ківш.

У табл. 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.

Рис.1 Вигляд під мікроскопом бризок чавуну, фракція менше 32 мкм. Частинки із слідами вибуху відсутні.

Рис.2 Вигляд під мікроскопом бризок чавуну, фракція 1-2 мм. 100% частинок носять сліди вибуху.

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 обов'язковою умовою утворення бурого диму.

2. Першим етапом утворення диму є вибух крупних бризок в результаті виділення бульбашки монооксиду вуглецю на поверхні пластин графіту в об'ємі 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 пов'язана з вірогідністю наявності в об'ємі 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 пов'язаний з інтенсивністю випаровування заліза

; (3)

де - 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, Sс - відстань від зрізу сопла до верхнього рівня металу, м; -діаметр сопла, м.

Формула (6) виражає зв'язок 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 об'єм 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 об'ємі 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 об'єктах, 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 об'єктах в широкому діапазоні зміни впливаючих чинників.

На рис.3 показана залежність ступіню пилозаглушення від витрати азоту під час подачі його через сопла діаметром 150 мм, отримана при зливі чавуну з 2500-тонного міксера в 350-тонний ківш. При цьому більшість експериментальних точок потрапили в розрахунковий інтервал. Таким чином, експериментально підтверджений екстремальний характер залежності ступеня пилоподавлення від витрати азоту, що витікає з формули (6).

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.

Рис.3. Залежність ступеня пилозаглушення від витрати азоту при подачі його через 2 сопла діаметром 150 мм при сливі чавуну із 2500-тонного міксера в 350-тонний ківш.

а – розрахункова крива максимальних значень; б – розрахункова крива мінімальних значень. Точки – середні експериментальні значення. Цифри біля точок - число дослідів.

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 | 00,055 | 22

2,22 | 0,8-0,86 | 0,790,065 | 4

2,5 | 0,78-0,85 | 0,840,070 | 7

2,78 | 0,75-0,84 | 0,810,065 | 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 | 0,8210,02 | 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 | 0,9260,011 | 0,938 | 7

4500 | 2 | 0,8680,015 | 0,90 | 7

5000 | 3 | 0,9120,011 | 0,902 | 7

6000 | 3 | 0,9270,007 | 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 об’єктах 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”

Умови роботи | Концентрація в робочій зоні

Пил, мг/м3 | NOx, мг/м3 | CO, мг/м3 | SO2, мг/м3 | H2S, мг/м3 | O2, % по об’єму

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.

У табл.  наведені результати ситового аналізу пилу ливарного двору.

Рис.4 Вигляд під мікроскопом пилу, що містить графіт, з бункерів циклонів ЦН-15 міксерного відділення ККЦ металургійного комбінату “Азовсталь”, Ч40 разів. Видно, що пил містить пластини графіту і бризки металу.

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%

а)

б)

Рис. 5. Часточка графіту з конструкцій ливарного двору ДП-4 МК ім. Ілліча.

Фракція 140-315 мкм. РЕМ. Контраст у вторинних електронах (а), і в характеристичному випромінюванні Fe-k (б). х1500. Горизонтальний розмір кадру відповідає розміру 90 мкм. Видно, що вкраплення заліза зосереджені в нерівностях рел’єфу.

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 рел’єфу.

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. .

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