Содержание
Содержание
| Введение……………………………………………………………………. | 3 |
| 1 Вредные выбросы в атмосферу аглодоменным производством……… | 4 |
| 1.1 Выделение вредных газов в аглодоменном производстве………... | 6 |
| 1.2 Влияние выбросов СО и СО2 на атмосферу и здоровье человека.. | 7 |
| 2 Возможные пути снижения выбросов СО и СО2 аглодоменного производства…………………………………………………………. | 10 |
| Выводы……………………………………………………………………… | 14 |
| Литература………………………………………………………………….. | 15 |
Введение
Негативное влияние вредных компонентов на здоровье населения, флору и фауну, объекты и сооружения не ограничивается территорией, прилегающей к источникам выбросов, а распространяется на сотни и тысячи километров. Поэтому в настоящее время загрязнение окружающей среды приобретает глобальный характер, а расходы на ее охрану стали соизмеримы с величиной экологического ущерба.
Проблема обеспечения энергетической эффективности и экологической безопасности промышленных объектов является многозначной. Это связано с необходимостью определения уровня использования топливно-энергетических ресурсов, технического состояния оборудования промышленных объектов, с применением природоохранных мероприятий и т.п.
Сложность решения данной проблемы обусловлена широким спектром определяющих параметров, факторов и показателей экологической опасности. Все известные технологические процессы, производства чугуна, стали и их последующего передела сопровождаются образованием больших количеств отходов в виде вредных газов и пыли, шлаков, шламов, сточных вод, содержащих различные химические компоненты, скрапа, окалины, боя огнеупоров, мусора и других выбросов, которые загрязняют атмосферу, воду и поверхность земли.
1 Вредные выбросы в атмосферу аглодоменным производством
Все металлургические переделы являются источниками загрязнения пылью, оксидами углерода и серы (таблица 1) [1].
Таблица 1
Газовые выбросы (до очистки) металлургического производства
| Составляющие выбросов | Агломерационное производство | Доменное производство | Сталеплавильное производство | Прокатное производство |
| Пыль | 20-25 | 100-106 | 13-32 | 0,1-0,2 кг/т проката |
| Оксид углерода | 20-50 | 600-605 | 0,4-0,6 | 0,7 т/м поверхности металла |
| Оксид серы | 3-25 | 0,2-0,3 | 0,4-35 | 0,4 т/м поверхности металла |
| Оксид азота | | | 0,3-3,0 | 0,5 т/м поверхности металла |
| Аэрозоли травильных растворов | | | | В травильных отделениях |
| Пары эмульсии | | | | При металлообработке |
| Сероводород | | 10-60 | | |
На долю предприятий черной металлургии приходится 15-20% общих загрязнений атмосферы промышленностью, что составляет более 10,3 млн. т вредных веществ в год, а в районах расположения крупных металлургических комбинатов – до 50% [2].
В среднем на 1 млн. т годовой продукции заводов черной металлургии выделение составляет, т/сутки: пыли – 350, сернистого ангидрида – 200, оксида углерода – 400, оксидов азота – 42 [3].
На аглофабриках источниками загрязнения воздуха являются аглоленты, барабанные и чашевые охладители агломерата, обжиговые печи, узлы пересыпки и сортировки агломерата и других компонентов шихты. Количество агломерационных газов 2,5-4,0 тыс. м3/т полученного агломерата с содержанием в них пыли от 5 до 10 г/м [4]. В состав газов входят оксиды серы и углерода, а пыль содержит железо и его оксиды, оксиды марганца, магния, фосфора, кремния, кальция, иногда частицы титана, меди, свинца.
Отходящие агломерационные газы сильно загрязнены сернистым ангидридом, пылью, содержат оксид и диоксид углерода, кислород; температура газа 110-145 °С. Пыль содержит примерно 38% связанного железа (Fe3O4, Fе2Оз), 0,37 % металлического железа, оксиды и карбонаты кальция и магния СаО+СаСОз, MgO, оксиды натрия и калия Na2O+K2O, оксиды кремния и алюминия SiO2, А12О3, соединения марганца цинка, фосфора MnO2, ZnS, Р2O5 [5].
При сбрасывании агломерата с транспортерной ленты с температурой 500-700 °С и дальнейшем его охлаждении воздухом также выделяется пыль.
Доменное производство характеризуется образованием большого количества доменного газа ( 2-4 тыс. м /т чугуна). Этот газ содержит оксиды углерода и серы, водород, азот, некоторые другие газы и большое количество колошниковой пыли (до 150 кг/т чугуна).
Пыль содержит окислы железа, кремния, марганца, кальция, магния, частицы шихтовых материалов.
Дополнительными продуктами процесса являются доменный газ, содержащий 60 % N2, 30 % > СО, 10 % СO2 и много пыли. После газоочистки этот газ используют для подогрева воздуха и как горючий газ.
Большое количество пыли и газов выделяется 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 СО, SO2, различных углеводородов, цианистых соединений. Источниками газовыделения могут быть также трещины в кладке и кожухе доменной печи, неплотности соединений отдельных элементов конструкций.
1.1 Выделение вредных газов в аглодоменном производстве
Выбросы в доменном производстве делятся на технологические и неорганизованные.
К технологическим выбросам относится колошниковый газ. В колошниковом газе содержится оксид углерода СО, пыль, метан СH4, водород Н2 и незначительные количества сероводорода H2S и диоксида серы SO2. Удельный выход технологических газов зависит от расхода кокса и составляет 2,0-2,5 тыс. м /т чугуна, содержащего до 3 % монооксида углерода. Удельный выход пыли с технологическими газами составляет 50-100 кг/т и зависит от давления доменного газа под колошником.
Неорганизованные выбросы пыли начинаются фактически с поступления шихтовых материалов в доменный цех. Часть этих выбросов попадает в производственные помещения, а часть удаляется системой аспирации.
Загрязнение воздуха в доменном производстве происходит так же и при грануляции шлака. При производстве гранулированного шлака на припечных установках нормы выбросов загрязняющих веществ в атмосферу составляют:
по диоксиду серы - до 4,5 г/с,
по сероводороду - до 1,5 г/с,
по парам серной кислоты - до 1,5 г/с.
Сбросы шламовых вод с УПГШ допускаются в объёме до 10м3/ч с концентрацией взвешенных веществ до 100 мг/л.
Отходы очистки шламовых отстойников, представляющие собой граншлак мелких фракций (менее 0,25 мм), относится к материалам 4 класса опасности. Осадок граншлака должен вычерпываться из отстойников грейферным краном, обезвоживаться, и удалятся на склад граншлака цеха шлакопереработки соответствующими конвейерами.
С учетом обезвреживания газов, удаляемых от установок придоменной грануляции шлака, суммарные выбросы уменьшаются в 8 раз. В настоящее время поставлена задача полного прекращения сброса шлака в отвалы. Вновь построенные доменные печи на Криворожском и Новолипецком металлургических комбинатах оборудованы закрытыми установками придоменной грануляции шлака, в которых предусмотрено связывание сернистых соединений в процессе грануляции с отводом остаточного количества вредных веществ в атмосферу через трубы высотой 100 м. Ведется строительство закрытых установок для внепечной грануляции шлака. В дальнейшем такими устройствами будут оборудованы все существующие установки для получения гранулированного шлака и пемзы, но для этого их необходимо реконструировать.
1.2 Влияние выбросов СО и СO2 на атмосферу и здоровье человека
На промышленно развитые страны оказывается политическое, а порой и финансовое давление с требованием сокращения выбросов СО2, т. е. сокращения промышленного производства. Киотский протокол, принятый в Киото (Япония) в декабре 1997 г. в дополнение к Рамочной конвенции ООН об изменении климата, является основным международным документом, который обязывает развитые страны сократить выбросы парниковых газов в 2008-2012 гг. по сравнению с 1990 г.
По состоянию на 26 марта 2009 г. 181 страна мира была вынуждена ратифицировать указанный протокол. Заметным исключением из этого списка являются США. Научного обоснования требованиям, выдвигаемым Киотским протоколом, представлено не было.
На современном этапе борьба с парниковым эффектом сводится к борьбе со всемирным потеплением. Следует отметить, что так было не всегда. В период 1960-1980 гг. ведущие специалисты по экологии утверждали, что парниковый эффект приведет нашу Землю к новому ледниковому периоду – всемирному похолоданию.
Многие из ученых, которые 30-40 лет тому назад пугали людей грядущим ледниковым периодом, последние десятилетия стали пугать всемирным потеплением. При этом причина как похолодания, так и потепления всегда называлась одна и та же - выбросы СO2 в атмосферу.
Несмотря на то, что промышленные выбросы СО2 за последние 50 лет увеличились более чем вдвое, его содержание в атмосфере не изменилось. Изменений среднегодовой температуры также не зафиксировано.
Промышленные выбросы СO2 осуществляются за счет сжигания добываемых углеводородов.
В таблице 2 приведены данные о мировой годовой добыче углеводородов, содержании в них углерода и выбрасываемого при их сжигании углекислого газа. Оценка максимально возможных выбросов производится исходя из допущения, что сжигаются все добываемые углеводороды.
Таблица 2
Мировая добыча углеводородов
| Вид углеводорода | Годовая добыча, млрд.т. | Содержание С, % масс. | Содержание С, млрд.т. | Выброс СO2, млрд.т. |
| Нефть | 3,8 | 85 | 3,23 | 11,84 |
| Уголь | 6,2 | 80 | 4,96 | 18,19 |
| Природный газ | 2,6 (3646 млрд м3) | 75 | 1,95 | 7,15 |
| Итого | 12,6 | | 10,14 | 37,18 |
По сравнению с количеством СO2, находящимся в земной атмосфере и океане (в атмосфере содержится 2,4-1015 кг (2,4-103 млрд т) СO2; в океанской воде растворено 1,441017 кг (1,44-105 млрд т) СО2, промышленные выбросы составляют очень малую долю. Ежегодно выбрасываемый в атмосферу СОг составляет 1,55% от содержащегося в атмосфере и 0,026% от содержащегося в океанской воде.
Даже если бы выбрасываемый промышленностью СO2 не поглощался растительным миром планеты и океаном, то выбросы могли бы привести к увеличению содержания СO2 в атмосфере менее чем на одну тысячную долю процента в год. Такое незначительное изменение в составе атмосферы невозможно определить.
Роль СО2 в создании парникового эффекта. Среднее содержание в атмосфере Н20 (в виде пара) – 0,4-0,5 %, СO2 – 0,032-0,045 %, т. е. водяного пара в атмосфере в 10 раз больше, чем углекислого газа. Показатели глобального потепления (GWP Global warming potential) для углекислого газа и паров воды приблизительно одинаковы.
Следовательно, водяной пар обеспечивает 90 % от создаваемого парникового эффекта, а СO2 – 10 %. Если содержание СO2 в атмосфере возрастет в 2 раза, то это увеличит парниковый эффект всего на 10 % (0,9 + 2·0,1 = 1,1).
Антропогенные выбросы углекислого газа составляют столь малую долю в кругообороте углекислого газа в природе, что вызывать парниковый эффект в атмосфере Земли не могут.
Влияние СО и CO2 на здоровье человека. В обычном воздухе, которым мы дышим, содержится 0,03% С02, а в выдыхаемом 3,6 %. То есть, на лицо увеличение концентрации больше, чем в 100 раз. Повышенное содержание углекислого газа в воздухе напрямую влияет на состояние человека, его работоспособность и здоровье в целом. Последствиями повышенной концентрации С02 в воздухе могут стать дремотное состояние, головные боли, тошнота и чувство удушья.
Оксид углерода, при значительном отклонении его от нормы, то есть значительное увеличение его концентрации в воздухе изменяет состав крови, приводит к нарушению нервной деятельности, время жизни до пяти суток.
К примеру, из межконусного пространства доменной печи выходит С02 . Для того чтобы люди не отравились, его дожигают на колошнике. Но чтобы это сделать надо туда заглянуть, и был реальный случай, когда три человека отравились этим газом. Он без цвета и запаха, и когда те люди его вдохнули, угорели спустя 10 секунд.
2 Возможные пути снижения выбросов
СО и СO2 аглодоменного производства
Для очистки отходящих газов агломерационного процесса от пылевидных и газообразных составляющих необходимо использовать как технологические приемы, так и инженерные средства, обеспечивающие эффективное рафинирование отходящих газов по компонентам до уровня ПДК.
Для очистки отходящих газов от углеводородов рекомендуется использование катализаторов глубокой очистки. Применение катализаторов также целесообразно для очистки отходящих газов от SО2, SO3 и NxOy.
Возможно, использование железного катализатора на алюмосиликатном носителе при температуре процесса 925 °С. Рассматриваемый метод обеспечивает удаление до 90 % оксидов азота от их общего содержания в отходящих газах.
В последнее время вопросы экологии потребовали особого внимания. Антропогенное воздействие на нашу планету связано с интенсивной добычей сырьевых ресурсов и ископаемых топлив, насыщением атмосферы «парниковыми» газами, ведущим к изменению климата. Вопреки рекомендациям Протокола Киото объемы выбросов и рост концентрации диоксида углерода в них продолжают расти. Не секрет, что для существенного сокращения выбросов углекислого газа необходима замена старых традиционных технологий принципиально новыми, что требует огромных капиталовложений. Так, затраты на модернизацию промышленности США с целью сокращения эмиссии С02 на 20 % ниже уровня 1990 г. могут составить до 3,6 трлн долл.
Потребляя около 20 % всех добываемых углеводородных энергоресурсов и в конечном итоге превращая их в основном в диоксид углерода, металлургическое производство значительно повышает глобальные промышленные выбросы С02. Как следует из оценочных расчетов, выбросы СО2 при выплавке чугуна составляют 15-20% эмиссии СОг всей мировой промышленностью. Показатели представлены в соответствии с рисунком 1.
Рис.1. Глобальные выбросы СО2 и выбросы СО2
при производстве чугуна
Во всем мире ведется широкий поиск способов сокращения выброса диоксида, в том числе новых решений по производству первичного железа, позволяющих снизить вредную нагрузку на окружающую среду. Так, в странах, широко использующих высокотехнологичные процессы (США, Япония, Великобритания, Китай), наблюдается отчетливая тенденция снижения выброса углерода в атмосферу на единицу ВВП. Этот показатель составляет для стран с развитой экономикой 100-200 т/млн долл., для России - 400 т/млн долл.
Основным потребителем энергии и источником эмиссии вредных веществ в окружающую среду является аглодоменный комплекс (более 70% вредных выбросов приходится на агломерационное и коксохимическое производства). Поэтому принципиальное изменение технологии на этом участке производственного цикла может дать ощутимый эффект.
Одним из важнейших путей решения проблем, связанных с производством и применением кокса, является использование в доменном процессе пылеугольного топлива (ПУТ). В результате снижается вредное воздействие на окружающую среду (уменьшается объем коксохимического производства). Энергоемкость доменного производства при этом несколько возрастает.
Применение ПУТ было начато в бывшем СССР (на Донецком металлургическом заводе) раньше, чем за рубежом. Однако низкие цены на природный газ сдерживали развитие этого направления в отечественной металлургии.
С разработкой применения ПУТ меняется состав отходящих газов, что влияет на окружающую экологию.
Наиболее типичными и освоенными в промышленности процессами твердофазного восстановления являются «Мидрекс» и несколько модификаций процесса «Хил». Так, в процессе «Мидрекс» отсутствует коксохимическое производство. Энергоемкость металла по этой технологии примерно в 1,5 раза меньше, чем полученного доменно-конвертерным процессом, а выбросы углекислого газа меньше примерно вдвое.
Объемы выбросов СО2 при производстве стали по различным технологиям приведены ниже, кг/т:
- доменно-конвертерный процесс - 2010;
- электродуговая плавка металлолома - 640;
- процесс «Мидрекс» в сочетании с электроплавкой - 1870.
Строительство мини-заводов существенно повлияло на структуру производства чугуна. В мире (США, страны ЕС, Япония и др.) сокращается число доменных печей. Так, в США их число сократилось со 197 в 1975 г. до 36 в 2001 г., в странах ЕС – со 154 в 1980 г. до 58 в 2001 г. и Японии – с 34 в 1990 г. до 30 в 2001 г.
При уменьшении числа печей, в первую очередь малого объема, значительно совершенствуется технология доменного передела.
Так, в США, при сокращении количества печей на 34 % к 2015 г. выплавку чугуна намечено снизить всего на 13 % (до 44 млн т/год). При этом расход кокса уменьшится до 320 кг/т, расход ПУТ увеличится до 200 кг/т, удельная производительность повысится до 2,9 т/м -сут.
Выводы
1. Проблема обеспечения энергетической эффективности и экологической безопасности промышленных объектов является многозначной. Это связано с необходимостью определения уровня использования топливно-энергетических ресурсов, технического состояния оборудования промышленных объектов, с применением природоохранных мероприятий и т.п.
2. Основным потребителем энергии и источником эмиссии вредных веществ в окружающую среду является аглодоменный комплекс (более 70% вредных выбросов приходится на агломерационное и коксохимическое производства). Поэтому принципиальное изменение технологии на этом участке производственного цикла может дать ощутимый эффект.
3. Таким образом, экологическая проблема черной металлургии может быть радикально решена за счет ликвидации или существенного сокращения агломерационного и коксохимического производств, увеличения использования водорода как восстановителя и широкого внедрения электротехнологии.
Литература
1. Готлиб А.Д. Доменный процесс. М.: Металлургия, 1966. - 504 с.
2. Дмитриев А.Н., Шумаков Н.С., Леонтьев Л.И., Онорин О.П. Основы теории и технологии доменной плавки. – Екатеринбург: УрО РАН, 2005. – 545 с.
3. Меджибовский М.Я., Сельский В.И., Купершток В.Е., Шукстульский И.Б., Пелипенко И.И. Поршкообразные материалы в металлургическом производстве ”Техніка”. – 1974. – 184 с.
4. В.В. Лунев, В.В. Аверин Сера и фосфор в стали. – М.: Металургия. – 1988. – 256 с.
5. С.И. Денисов Улавливание и утилизация пылей и газов: Учеб. пособие. – К: Вища школа. – 1992. – 333 с.