Характеристика организованных выбросов.

Количество и физико-химическая характеристика газов, отходящих по дымовому тракту.

Технологические газы, выходящие из печи, образуются от сжигания топлива,газовыделения из сы-пучих материалов при нагреве и разложении, а также от образования СО и СО₂ при окислении углерода шихты. Точное значение выхода технологических газов можно получить из материаль­ного баланса плавки. Однако с достаточной для практических расчетов точностью его можно определить по следующей формуле, м³/ч:

 

V_т.г .= V_уд + V_изв + 0,054 T _с, (3.1)

Зависимость удельного выхода продуктов сгорания от коэффициента расхода воздуха при расходе кислорода, м^3/м^3 газа: 1-без кислорода; 2-0,2; 3-0,4; 4-0,6; 5-0,8; 6-1,0 (25% по теплу)	Зависимость количества СО2, выделяющегося при разложении известняка в период плавления, от садки печи при расходеизвестняка в завалку, %:1 - 5; 2 - 7; 3 – 9

 

где V_уд - удельный выход продуктов сгорания, м³/1000 кДж топлива - величина может быть определена по графику, представленному на рис. 4, или по формуле

V_уд = _, (2)

- низшая теплотворная способность топлива, кДж (ккал/м³);

V - теоретический выход продуктов сгорания на 1 м³ (1 кг) топлива при коэффициенте расхода воздуха n = 1,0 м³/м³ (м³/кг); V0 - теоретический объем воздуха для сжигания 1 м³ (1 кг) топлива при коэффициенте расхода воздуха n = 1,0 м³/м³ (м³/кг); n - коэффициент расхода воздуха, м³/м³ (м³/кг); - расход топлива, тыс. кДж/ч;

V_изв - количество углекислого газа, выделяющегося при разложении известняка, тыс. м3/ч (величину можно опреде­лить по графику на рис. 5); Т - садка печи, т; V_с - ско­рость выгорания углерода, %/ч; 0,054 - коэффициент пере­счета массы в объем.

При форсированном режиме печи средний расход продуктов сгорания изменяется при движении по дымоотводящему тракту печи. Это связано с подсосом атмосферного воздуха через не плотности кладки. Величина подсосов так велика, что объем продуктов сгорания, увеличивается в 1,8 – 2,0 раза по сравнению с величиной» определяемой формулой (1).

В течение плавки количество продуктов сгорания колеблется практически незначительно. Для оценки неравно­мерности тепловой нагрузки на печь введен коэффициент форсировки:

m = / , (3.3)

где - максимальная тепловая нагрузка на печь, кВт (ккал/ч);

- средняя тепловая нагрузка на печь, кВт (ккал/ч).

Обычно коэффициент форсировки составляет 1,25 - 1,30.

Средняя тепловая мощность печей существующих конструкций, в которых, как правило, невозможно увеличить пропускную способность дымового тракта, выражается зависимостью

= 18,2 + 3.76 • 10^-2 T + 4,0 • 10^-6 Т², (4)

где T - садка печи.

Для гидравлического расчета печи и газоочистных сооружений нужно знать не только среднее, но и максималь­ное количество продуктов сгорания, которое можно опреде­лить по формуле (1), подставив вместо максимальное значение:

= (1,25 - 1,30) .

Тепловой режим работы мартеновских печей приведен в табл. 2.

Состав и количество отходящих от печей газов изменяются при движении по дымоотводящему тракту. Это связано, прежде всего с подсосом атмосферного воздуха через не плотности кладки, так как отводящий тракт находится под разрежени­ем. Величина подсосов зависит от разрежения на отдельных участках тракта, определяющегося конструктивными парамет­рами печи и герметичностью кладки, которые изменяются в течение компании печи (периода между остановками печи на ремонты свода).

Наибольшая величина подсосов бывает на участке головка печи - верх насадок. Количество отходящих от мартеновской печи газов на участке от головки до под насадочного - пространства регенераторов увеличивается в 1,55-1,65 раза в начале компании и в 1,25 раза в конце; на участке от головки до общего борова в 1,6 - 1,7 в начале и в 1,35 раза в конце кампании. В борове на участке от перекидных устройств до входа в котел-утилизатор количество газов увеличивается на 10 % от количества газов в вертикальном канале.

Таким образом, на современных печах, отапливаемых высо­кокалорийным топливом, количество технологических газов при входе в котел-утилизатор увеличивается по сравнению с количеством газа, выходящего из головки, в 1,8-2,0 раза.

Физико-химическая характеристика технологических газов мартеновских и двух ванных печей (перед входом в дымовую трубу) приведена в табл. 2.

Выбросы пыли с технологическими газами. Содержание пыли в отходящих газах мартеновских и двух ванных печей определяется расходом кислорода на печь, при этом значение имеют способ подачи кислорода (в факел или в ванну), садка печи, вид топлива, период плав­ки и др. Данные о выбросах пыли из рабочего пространства мартеновских печей довольно разноречивы, очевидно, из-за не четких сведений о технологических процессах и различных методик определения запыленности газовых потоков. Однако анализ многочисленных данных позволяет установить наиболее характерные показатели запыленности для печей различной садки и конструкции (мартеновских и двух ванных) в зависимости от способа (в факел или ванну) и интенсивности подачи кислорода в ванну.

В зависимости от указанных факторов концентрация пыли в дымовых газах мартеновских печей колеблется в широких пределах - от 160 мг/м³ до 50 г/м³, при этом на печах, работающих без применения кислорода, - от 160 до 260 мг/м³, с подачей кислорода в факел - от 400 до 700 мг/м³ и с продувкой ванны кислородом - от 270 мг/м³ до 50 г/м³. Запыленность газов двух ванных печей колеблется в пределах от 2,8 до 17,2 г/м³. Более высокое значение нижнего предела запыленности по сравнению с мартеновскими печами, работающими с продувкой ванны кислородом, объясняется тем, что практически в двух ванной печи одна из ванн всегда находится под продувкой, тогда как в мартеновских печах нижний предел относится к бес продувочным периодам. Более низ­кий верхний предел запыленности на двух ванных печах связан с сепарирующим (способствующим осаждению части пыли) действием развитой поверхности шихтовых материалов в ванне, через которую проходят газы из продувочной камеры. Применение кислорода значительно увеличивает запыленность отходящих газов. Влияние подачи кислорода в факел на пылеобразование связано с усилени­ем термического разрушения кусковых материалов в период прогрева и угара оплавленного или расплавленного металла в последующие периоды плавки.

 

 

1 – вертикальный канал; 2 – над насадкой; 3 – общий боров Рис.6 Зависимость содержания пыли в отходящих продуктах сгорания 300-т мартеновской печи от удельной интенсивности продувки:

Рис.7 Зависимость запыленности отходящих продуктов сгорания от скорости выгорания углерода

Основной причиной бурного пылеобразования в период продувки жидкой ванны кислородом является испарение металла в очагах высокой температуры и последующее его окисление атмосферой рабочего пространства, отсюда газы принимают бурую окраску оксидов железа. На рис. 6 приведена зависимость содержа­нии пыли в отходящих газах от удельного расхода кислорода. Для практических расчетов количества выбросов пыли из рабочего пространства печи при продувке кислородом рекомендуется снижать их величину на 35% при добавлении в дутье топлива (природного газа или мазута) и на 30 % при применении щелевых продувочных фурм относительно обычно применяемой шести сопловой кислородной фурмы.

На примере 150-т печи при подаче кислорода в факел показано изменение показателей запыленности также и в зависимости от периода плавки. Количество пыли в каждый период плавки определяется характером технологического процесса, проходящего в это время.

Во время завалки основным источником пылевыделения является загружаемая шихта, из которой газовым потоком увлекаются мелкие частицы железной руды, известняка и других ее компонентов.

В начале периода прогрева пыль образуется в результате термического разрушения кусковых материалов, в конце - вследствие угара оплавленного металла.

В период слива чугуна максимальная запыленность отходящих дымовых газов наблюдается при сливе первого ковша, а далее сокращается, а три-четыре раза.

Во время плавления максимальное пылевыделение происходит при продувке ванны кислородом, причем в α. Существенное влияние на пылеобразование оказывает скорость выгорания углерода (рис. 7). Пылеобразование тем выше при одной и той же температуре металла, чем выше содержание углерода.

Физико-химические свойства пыли Химический состав

Химический состав пыли характеризуется высоким содержанием железа. Основную часть составляют оксиды железа, соотношение которых меняется по дымоотводяшему тракту печи. Содержание FеО в вертикальном канале составляет 20-30%, а перед газоочисткой до 1,5%, при этом содержании Fе₂О₃ увеличивается с 65-75 до 88-92 %.

На ряду с железосодержащими оксидами в состав пыли входят СаО, А1₂О₃, МnO, МgО, Р₂О₅, соединения серы. Исследованиями института "Уралмеханобр" установлено, что в пыли мартеновского производства содержится 0,09-1,19% свинца и 0,36—4% цинка, при этом основная масса цинка представлена ферритом (ZnO₂^x Fе₂O₃), а свинца - церрусситом (РbСО₃).

Дисперсный состав

Основную часть пыли при продувке ванны составляют первичные частицы с диаметром 0,01—1,0 мкм. Средний медианный размер этих частиц составляет 0,2-0,4 мкм. Дисперсный состав первичных частиц пыли незначительно изменяется в течение плавки и мало зависит от расхода кислорода, но при движении по газоотводящему тракту первичные частицы коагулируют в агрегаты различных размеров. Агрегаты в буром дыме представлены в виде комков неправильной формы и цепочек. Размер и компактность их изменяются в течение продувки и по ходу потока в газоотводящем тракте. Это необходимо учитывать при проектировании газоочистных сооружений за мартеновскими печами.

Выбросы оксидов серы в мартеновских, в двух ванных печах невелики. Это связано с тем, что и шихта, и топливо пода­ются в них по возможности обессеренными и, кроме того, основное количество серы переходит в шлак.

Содержание оксидов серы в дымовых газах от печей мартеновского производства определяется видом применяемого топлива и содержанием серы в шихтовых материалах, достигая максимально 800 мг/м³ при отоплении мазутом или коксодоменной смесью. При отоплении печей природным газом с добавкой малосернистого мазута содержание сернистого ангидрида в дымовых газах составляет 20-1.80 мг/м³, возрастая с увеличением доли мазута в топливе. С увеличением садки печи концентрация оксидов серы в газах несколько снижается.

С учетом указанных факторов содержание оксидов серы (m ^SO₂) в дымовых газах с достаточной для практических расчетов точностью описывается формулами:

при плавлении

m = 7.8 * 10^-4 * г/м³; (5)

при доводке

m = 1.28 * 10^-4 * г/м³, (6)

где - Т - количество жидкого расплава в печи, г; V_г - количество отходящих газов, м³/ч; [S_Ш] - содержание серы в шихте, %; , - длительность плавки и периода доводки соответственно, ч.

Содержание оксида углерода в конце дымового тракта мартеновских и двух ванных печей незначительно и выбросы ее носят кратковременный характер, в двух ванных могут достигать 200 мг/м³.

Физико-химические и токсические свойства бенз(а)пирена и характеристика выбросов его с технологическими газами

В составе пыли, отходящей от мартеновских и двухванных содержится бенз(а)пирен, высокотоксичное вещество,относящееся к классу канцерогенных полициклических арома­тических углеводородов (ПАУ).

 

 

Рис.8 Структурная формула

бенз(а)пирена (C₂₀H₁₂)

 

Проблемы защиты от загрязнения канцерогенными вещества­ми атмосферного воздуха приобретает все большую актуаль­ность в связи с повсеместным ростом заболевания раком органов дыхания у населения большинства стран мира.

Источником образования канцерогенных ПАУ являются процессы, связанные со сжиганием топлива и различными видами термической переработки канцерогенных ПАУ.

Индикатором загрязнения внешней среды канцерогенными ПАУ служит высокоактивный канцерогенный углеводород бенз(а)пирен.

Он относится к группе пиренов. Эмпирическая формула С₂₀Н₁₂. Структурная формула представлена на рис. 8. Молекулярный вес 252,32. В чистом виде он представляет собой твердое вещество желтого цвета с температурой плав­ления 176,5-179,3 °С и температурой кипения 475 °С при давлении 1,011*10⁵ Па. Летучесть бенз(а)пирена незначи­тельная при комнатной температуре, но значительно возрас­тает при 100 °С и особенно при 170-200 °С.

Бенз(а)пирен обладает способностью хорошо сорбироваться на различных твердых материалах - частицах пыли, сажи, известных материалах и др.

Являясь одним из наиболее стабильных ПАУ, он в составе атмосферных загрязнений сохраняется очень долгое время (в течение года при хранении в темноте сохраняется 68 %). В биологическом отношении бенз(а)пирен является наиболее активным из всех встречаемых в окружающей среде ПАУ.

Содержание бенз(а)пирена в дымовых газах мартеновских печей после газоочистки составляет 0,051-0,158 мкг/м³, двухванных 0,064-0,159 мкг/м³.

Мартеновское производство имеет большое количество неорганизованных выбросов загрязняющих веществ, которые в месте их образования попадают первоначально в рабочую зону цеха, а затем через аэрационные фонари и другие проемы производственных зданий в атмосферу.

Конверторний спосіб.

Суть конверторного способу полягає в тому, що через рідкий чавун, залитий у конвертор, продувається повітря, кисень якого окислює вуглець та домішки. Конвертор являє собою стальну посудину грушоподібної форми, викладену всередині вогнетривкою кладкою завтовшки 275-400 мм (мал. 1). У верхній частині конвертора є горловина 1. Середня частина конвертора оперезана зовні стальним кільцем. До кільця приєднано дві цапфи, які спираються на колони, встановлені на фундаменті. Через порожнисту цапфу 2 в конвертор надходить повітря з повітропроводу. На кінці другої цапфи 3 насаджене зубчасте колесо, з’єднане з зубчатою рейкою 4. Рейка переміщується від електродвигуна або гідропривода. Під час руху рейки конвертор повертається на потрібний кут, набираючи горизонтального, вертикального або похилого положення. В нижній частині конвертора є змінне днище 5, зроблене з вогнетривкої цегли. У днищі є канали, в яких запресовано труби – фурми 6. Через фурми в конвертор вдувається повітря.

Рисунок 3.9 – Конвертор з донною продувкою

Для заливання чавуну і завантаження добавок конвертор повертають у горизонтальне положення, трохи нахиляють вниз горловиною (мал. 2-а) і заливають таку кількість чавуну, щоб рівень його був нижче рівня фурм. Потім починають вдувати повітря, повільно повертаючи конвертор. Тиск повітря поступово збільшують, доводячи до 0,25 МПа (2,5 аті) при вертикальному положенні конвертора (мал. 2-б).

Рисунок 3.10 – Положення конвертора: а) – при заливці чавуну; б) – при продувці

процес окислення (вигоряння) домішок.

Після закінчення процесу конвертор нахиляють у горизонтальне положення, а потім припиняють дуття. Після цього перевіряють склад одержаної сталі і виливають її в ківш.

Існує два види конверторного процесу: кислий – бесемерівський, основний – томасівський та

кисневоконверторний.

Бесемерівський процес одержання сталі, що його відкрив англійський винахідник Г.Бессемер у 1855 р., здійснюється в конверторах, внутрішня кладка яких зроблена з кислої вогнетривкої цегли – динасу. Суть цього процесу полягає в тому, що кисень повітря, яке вдувається через рідкий чавун, окислює його домішки і при реакціях з інтенсивним перебігом утворюється така кількість тепла, якої цілком досить для перетворення чавуну на сталь протягом 10-13 хв. Вихідним матеріалом для ведення процесу є переробний чавун. Процес у бесемерівському конверторі поділяють на три періоди.

Перший період – окислення основної маси рідкого заліза, а також кремнію, марганцю та вуглецю киснем повітря, яке вдувається. Активне окислення відбувається за рахунок кисню закису заліза FeO, який утворюється у великій кількості при горінні заліза. Цей період окислення домішок з вигорянням кремнію і марганцю супроводжується бурхливим виділенням іскор (період іскор).

Полум’я при цьому малиново-червоне. Триває перший період 2-3 хв.; одночасно починається шлакоутворення.

Другий період характеризується активним окисленням вуглецю за реакцією:

FeO+C=Fe+CO-Q

Вуглець вигоряє з великим вбиранням тепла, тому температура в конверторі трохи знижується. Утворений окис вуглецю СО згоряє в СО2. Полум’я при цьому сліпучо-біле. Вигоряння вуглецю триває 7-8 хв. У більшості випадків цим періодом закінчується плавлення, коли вміст вуглецю в одержаній сталі має дорівнювати 0,4-0,5%.

Третій період. Коли треба виплавити сталь з дуже малим вмістом вуглецю, то процес вигоряння вуглецю продовжують. Факел полум’я зменшується, з’являється бурий дим – ознака горіння заліза з утворенням FeO; це триває 1-2 хв., і процес продування закінчується.

Конвертор нахиляють у горизонтальне положення, подавання повітря припиняють. Проте сталь ще не можна вважати готовою, бо в ній розчинена велика кількість FeO (оксиду заліза).

Кисень сталі є шкідливою домішкою, бо надає їй крихкості в гарячому стані – червоноламкості.

Тому, щоб видалити кисень, сталь розкислюють феросиліцієм, феромарганцем або алюмінієм. Конвертори бувають місткістю від 10 до 60 т. Продуктивність їх дуже велика (12000-13000 т на добу).

Недоліки:

• бесемерівська сталь погано піддається електрозварюванню (в навколошовній зоні

з’являються тріщини);

• ця сталь має підвищену крихкість (особливо при мінусовій температурі);

• бесемерівська сталь піддається старінню в результаті виділення нітридів заліза (підвищується міцність і знижуються пластичні властивості).

Ці різні властивості обумовлені головним чином підвищеним вмістом в цій сталі фосфору (до 0,06-0,07%), і особливо азоту (до 0,015-0,025%).

Томасівський процес одержання сталі, що його відкрив у 1878 р. англійський металург С.Томас, дає можливість переплавляти чавуни з високим вмістом фосфору (до 1,5-2,5%) і низьким вмістом кремнію (від 0,2 до 0,9%). На відміну від бесемерівського, томасівський конвертор викладено не кислим, а основним вогнетривом – доломітом. Томасівський конвертор розмірами трохи перевищує бесемерівський (розраховані вони на однакову кількість чавуну, що його заливають), бо в ньому утворюється багато шлаку. Фосфор у томасівському процесі відіграє вирішальну роль (аналогічну тій, яку відіграє кремній у бесемерівському), бо він при вигорянні виділяє велику кількість тепла, потрібну для підвищення температури в конверторі. Перед заливанням чавуну в конвертор вводять вапняк (12-20% від ваги чавуну); після заливання чавуну роблять продування.

Томасівський процес також поділяють на три періоди.

Перший період – окислення кремнію, марганцю, заліза. Реакції проходять так само, як у бесемерівському процесі, але через те, що кремнію в томасівському процесі небагато, цей період закінчується раніше.

Другий період характеризує окислення вуглецю за реакцією:

FeO+C=Fe+CO-Q

Третій період – вигоряння фосфору (частково за рахунок вільного кисню, але головним чином за рахунок кисню FeO.

У томасівському конверторі виплавляють здебільшого низьковуглецеву сталь, бо вигоряння фосфору починається тільки після повного вигоряння вуглецю. В деяких випадках, коли це потрібно, сталь наприкінці плавлення навуглецьовують. Розкислюють так само, як у бесемерівському процесі, тільки cпершу зливають шлак. Позитивні властивості конверторної плавки – висока продуктивність, нескладне обладнання конвертора, відсутність потреби в паливі. Конверторна сталь – сталь звичайної якості. Вартість її невисока. До недоліків способу слід віднести неможливість переплавлення металевих відходів; використання чавуну тільки певного хімічного складу; великий вигар металу, трудність одержання сталі заданого складу; велику кількість розчинених газів, що зменшують густину сталі.

Томасівським способом сталь в Україні не виплавляється.

Найбільш складними проблемами киснево-конвертерного процесу є охолодження, очищення і уловлювання газів. Усі кисневі конвертори обладнуються системами, що забезпечують охолоджування і очищення газів або продуктів їх згоряння. Ці системи називаються газовідвідного тракту кисневого конвертора. Газовідвідний тракт складається з наступних основних елементів: охолоджувач конверторних газів, система очищення газів, димогазопроводи між елементами тракту, ексгаустер (димосос), димові труби для викиду продуктів згоряння в атмосферу або свічки з дожігательним пристроєм для спалювання конверторного газу перед викидом, клапани між ексгаустером і свічкою для направлення газів на свічку чи газгольдер для уловлювання газу.

Відвід газів від конверторів здійснюється різними способами, що відрізняють величиною коефіцієнта надлишку повітря (α) на виході з охолоджувача:

- З доступом повітря і повним спалюванням (α> 1,0).

- З доступом повітря, але з недожогом газів в межах вибухобезпеки (1> α> 0,75).

- З доступом повітря і з частковим спалюванням газів (0,75> α> 0,15).

- Без доступу повітря і без спалювання конверторних газів (0,15> α> 0,11). Між конвертором і охолоджувачем завжди є зазор, що забезпечує можливість повороту конвертора для завантаження скрапу, заливки чавуну, випуску сталі і зливу шлаків.

У всіх випадках підтримання над конвертором розрядження 10-40 Па забезпечує підсмоктування повітря по периметру струменя, достатній для повного спалювання всіх газів. Продукти згоряння містять: СО_2, О_2, N_2, NО_х, Н₂О, SО₃ та пари металу, які при конденсації образют плавильну пил. Цей пил при температурах вище 1600 °С окислюється до Fе₂О_3, причому відбувається подальше її подрібнення, в результаті чого гази набувають чорно-бурого забарвлення. Сірка, що міститься в чавуні, переходить в шлак (до 50%), і лише невелика кількість сірки переходить в газову фазу. Максимальна кількість азоту в газах не буде перевищувати 0,004 м³/м³ (0,4%). При верхній продувки чавуну або повному допалювання в ідеальному випадку водень в конверторних газах майже відсутня. Проте практично в осінньо - зимовий період і весняний періоди волога вноситися з ломом, шпатом, бокситом, рудою і вапном.

При відведенні газів з повним допалюванням скидання оксиду вуглецю в атмосферу відсутній або незначний (0,1-0,3%). У всіх інших випадках неминучий більший викид оксиду вуглецю в атмосферу. Для мінімізації кількості скидається окису вуглецю системи з частковим допалюванням обладнають допалювальними пристроями розміщуються на свічці (трубі).

Кількість пилу, що виноситься з конвертора, досягає 1,5% від маси металошихти і при виході придатного металу 90% становить приблизно 16 кг/1т рідкої сталі, тобто приблизно 200 г/м^3. При такій запиленості гази має майже чорне, рідко чорно-бурого забарвлення і швидко забруднюють навколишній простір. Залежно від вмісту пилу (мг/м³⁾ гази набувають наступну забарвлення: 500 і більше - темно-червона; 200-250 - червона, 100-150 - рожева; менше 70 - сіра.

При подачі кисню через днище верхня площина ванни залишається більш спокійною порівняно з верхньою продувкою. Вихід газів супроводжується меншими викидами і меншими винесенням плавильної пилу, у зв'язку з чим збільшується вихід придатного. При донному дуття зниження димовиделеніе пояснюється посиленням фільтрації диму у верхніх шарах ванни, розвитком ендотермічних реакцій дисоціації палива і продуктів його згорання в реакційній зоні, що знижує в ній температуру і зменшує швидкість випаровування речовин. Віднесення шкідливих придонному дуття містить значно менші за величиною фракції, що висуває підвищені вимоги до газоочистке.

При донному дуття вводиться додатково паливо, тому сумарна кількість конверторних газів на 1 т сталі більше, ніж при верхній продувці. У газах також міститься водень, що утворюється в результаті горіння природного газу, мазуту, освіти водяної пари і їх дисоціації.