Выбросы в черной металлургии

Многие предприятия металлургической промышленности в Донецком регионе построены еще в годы индустриализации без учета экологиче­ских требований. Эти обстоятельства в сочетании с быстрорастущим ав­тотранспортом обуславливают значительные трудности в решении зада­чи защиты атмосферного воздуха в Донецком регионе.

Борьба с пылегазовыми выбросами в черной металлургии требует больших капитальных и эксплуатационных затрат и осложняется тем, что выбросы образуются на всех стадиях металлургического передела и зачастую носят неорганизованный характер. Крупнейшим источником загрязнения окружающей среды в черной металлургии является агломе­рационное производство. Аглофабрики выбрасывают в атмосферу около 50 % всего количества оксида углерода (СО) и сернистого ангидрида (50₂), свыше 20 % оксидов азота (N0*) и пыли. Обычно аглофабрнки выбрасывают 1—6 млн м³/ч аглогазов, содержащих 17 % кислорода, а также вредные вещества: СО—12,5, О2 — ОД МО*—-0,2, пыль — 0,25 г/м³ (средние данные по аглофабрике завода «Азовсталь»).

Сравнительно небольшая аглофабрнка завода «Азовсталь», напри­мер, имеет в своем составе 2 машины с площадью спекания 62,5 м³ каж­дая, общей производительностью 1,62 млн т агломерата в год. Годовой объем выбросов составляет 6,46-10⁹ м^э/год, в том числе вредных ве­ществ: пыль— 1600, оксид углерода — 80800, диоксид серы—-5200, ок­сиды азота — 1300 т/год. Для существенного уменьшения выбросов этой аглофабрики Инсти­тутом газа АН УССР и Мариупольским филиалом Укргипромеза разра­ботано нестандартное решение, заключающееся в обезвреживании аглогазов в котлах ТЭЦ. Аглогазы с температурой 80 °С, запыленностью до 250 мг/м³ и содержанием кислорода 16—18 % по двум трубопроводам длиной 600 м, диаметром 3,0 м, проложенным по эстакаде, поступают к вентиляторам, а затем в воздухонагреватели и горелочные устройства котлов ТЭЦ. При этом оксид углерода аглогазов сгорает до диоксида, а вследствие балл актирования зоны горения инертными компонентами аг­логазов уменьшается образование оксидов азота в топке котла. Изло­женное имеет экспериментальное подтверждение.

При совместной работе аглофабрики и ТЭЦ уменьшается общий г выброс оксида углерода в атмосферу на 77, оксидов азота — на 35, пы­ли— на 20%. Удельные расходы топлива на ТЭЦ снижаются на 3 — 5 % за счет использования физического тепла аглогазов и дожигания СО. Сметная стоимость строительства этой системы оценивалась в це­нах 1990 г. более 6,0 млн. руб., срок окупаемости — 0,7 года, экономиче­ский эффект от предотвращения ущерба в народном хозяйстве — 6,9 млн руб./год. Работа неоднократно включалась в республиканскую научно-техническую программу РН.85.02 «Охрана воздушного бассейна», однако не выполнялась. Реализация этой разработки при сравнительно не­больших капитальных затратах могла бы в короткое время существенно оздоровить обстановку в воздушном бассейне г. Мариуполя. Это же ре­шение применимо и для Коммунарска, где аглофабрика и ТЭЦ находят­ся еще ближе — на расстоянии 150 м, т. е. капитальные затраты будут еще меньше

Для других аглофабрик региона следует применять известные решения, реализуемые за рубежом и частично в СССР и рекомендованные комиссией по черной металлургии стран — членов СЭВ. Это — рецирку­ляция аглогазов, позволяющая на 30 % снизить выбросы СО и N0* в ат­мосферу, известково-известняковая отмывка 5О2, а также технологиче­ские мероприятия: применение «постели» высотой 20—40 мм, что сни­жает образрвание пыли в 5 раз, увеличение высоты слоя, двухслойное спекание шихты.

При составлении общего плана развития и реконструкции черной металлургии региона следует рассмотреть вопрос о возможности увели­чения доли окатышей в шихте доменных печей, т. е. частичной замене агломашин экологически более «чистыми» обжиговыми машинами. Из­вестно, что в некоторых странах, например, в США, доля окатышей в шихте составляет 70—75 %, тогда как в СССР она, находится на уровне 30—35 %. Такое решение по существу означало бы ликвидацию указан­ного источника выбросов.

Другим значительным источником загрязнений остается доменное производство, выбрасывающее 30% всей пыли, СО —25, SО₂—15, N0,—10, СmНn—11% (остальное количество углеводородов выбра­сывает коксохимическое производство). Рудный двор, бункерная эста­када, под бункерные помещения неорганизованно выбрасывают пыль в количестве ~70 г/т чугуна. Для нейтрализации ее необходимы регуляр­ное увлажнение штабелей, поливка их известняковым раствором, уста­новка местных отсосов и электрофильтров. Особенно желательно приме­нять укрытие выпускных желобов и подачу выбросов через электрофильтры, ибо во время выпусков выделяется огромное количество пы­ли -— 430 г/т чугуна, 65 % которой оседает в цехе, а остальное количест­во через вентиляционные проемы выбрасывается на территорию завода я далее.

Необходимо обеспечить предотвращение пылегазовых выбросов из межконусного пространства доменных печей и герметизацию основного металлургического оборудования.

Мощным источником выбросов оксида азота являются мартеновские печи. Они выбрасывают свыше 1200 т МО*/млн т стали. Технологических способов предотвращения образования N0* в печах не существует. Донецким

филиалом НПО «Энергосталь» разработан аммначно-каталити-ческий способ восстановления оксидов азота в уходящих газах, кото­рый внедряется на некоторых металлургических заводах. Стоимость ус­тановки* не очень велика, однако она решает локальную задачу. В реги­оне необходимо сосредоточить средства и возможности на внедрении ме­тода аммиачно-каталитической очистки газовых выбросов на агломашн-нах и на ТЭЦ, как это делается за рубежом, в частности, в Япония. В металлургической промышленности страны, а в регионе в особеннос­ти, следует ускорить вывод из эксплуатации мартеновских печей.

Отдельно необходимо остановиться на двухванных мартеновских пе­чах Коммунарского металлургического завода и завода «Запорожсталь». Это крупнейшие источники загрязнения цехов и городов пылью, оксидами углерода и азота. Количество отходящих газов обычных мар­теновских печей емкостью 200—900 т составляет соответственно 40— 95 тыс. м³/ч с содержанием пыли 5—б г/м³. Двухванная печь 2x300 т выбрасывает газов от 150 до 220 тыс. м³/ч, т. е. в 1,5—2,2 раза больше самой большой мартеновской печи, а содержание пыли в газах в период продувки достигает 20—25 г/м³, т. е. в 3—4 раза выше. Таким образом, двухванные печи являются в 6—8 раз более мощными по сравнению с обычными мартеновскими печами источниками пыли. Сухая пылеочистка требует герметизации тракта и полного дожигания СО, содержание ко­торого в уходящих газах может достигать 20 %, что небезопасно. Мок­рая очистка по схеме котел-утилизатор — труба Вентурн — каплеуловн-тель требует значительных капитальных вложений, энергозатрат н со­оружения шламового хозяйства, соизмеримого с таковым для остальных печей цеха. Для двухванных печей не существует приемлемых техниче­ских решений по уменьшению выбросов, и они должны быть выведены нз эксплуатации в первую очередь.

Как в мартеновских печах, так и в конверторах необходимо приме­нять двухъярусные кислородные фурмы, что позволяет не только дожечь часть оксида углерода и получить добавочное тепло, но и одновременно снизить вынос пыли и унос железа на 35—40 %. Для этого не требуется дополнительных капитальных вложений и экспуатационных затрат. Сни­жение выбросов пыли в конверторах достигается, по данным Днепро­петровского металлургического института, увеличением доли лома. Это технологическое мероприятие следует шире применять на заводах реги­она. Институт газа АН УССР разрабатывает устройства для подогрева лома в совках до 500—600 °С.

Уменьшение выбросов в прокатном производстве, хотя оно считает­ся относительно благополучным с экологической точки зрения, связы­вается в первую очередь со снижением расхода топлива на нагрев ме­талла. Кардинальным решением является переход на непрерывную раз­ливку стали и ликвидацию нагревательных колодцев и методических печей. Реализация этого пути требует времени и существенных затрат. Существует и временное решение, заключающееся в использовании раз­работанного Институтом газа метода косвенного радиационного на­грева (КРН) металла с использованием плоскопламенных горелок. При­менение КРН снижает на 10—15 % расход топлива на нагрев, на 30— 50 % угар металла, при сжигании газа в пласкокаменных горелках ко­личество образующихся оксидов азота меньше на 25—30 %, чем при использовании туннельных и факельных горелок. Метод КРН сейчас является основным в прокатном производстве за рубежом, по разработ­кам Института газа АН УССР он широко внедрен на некоторых заводах в СССР («Электросталь», Ижевский, Череповецкий металлургические заводы и др.) и за рубежом — в Алжире, Венгрии. В 1986 г, на Донец­ком металлургическом заводе метод КРН был применен на одной ячей­ке нагревательных колодцев, что дало реальный экономический эффект 70 тыс. руб. н улучшило качество нагрева. До настоящего времени го­релки производятся только на Опытном предприятии Института газа АН УССР. Необходима организация их производства в системе машино­строительных заводов, обслуживающих металлургию. Необходимо разработать работать программы реконструкции печного хозяйства прокатных це­хов региона.

Достаточно широкое применение во вспомогательных цехах метал­лургии н в машиностроительном производстве получил метод электрошлакового перевала(ЭШП).Для очистки выбросов ЭШП  от фторис­тых соединений применяется мокрый метод, в том числе на заводе «Азовсталь»

Институтом газа АН УССР разработан значительно более эффектив­ный сухой метод н создана установка очистки выбросов ЭШП в кипящем слое, организовано мелкосерийное производство этих установок на одном из хозрасчетных предприятий АН УССР. Метод обеспечива­ет степень очистки по фтору 99, по пылн — 90 % при объеме газов * 600 м³/ч.

В коксохимическом производстве наибольшее количество пылн н вредных газов образуется при загрузке и выгрузке печей, транспорти­ровке угля и кокса, при тушении кокса фенольнымн водами, в суш ильных отделениях углеобогатительных фабрик, отделениях конденсации и улавливания продуктов коксования. В производстве кокса следует шире применять технологию бездымной загрузки, увлажнение шихты до 8— 10 %, отсос газов, которые образуются при загрузке, в газосборники кок­совой н машинной сторон батареи, инжекцней их паром или коксовым газом, а также беспылевую выдачу с отсосом, очисткой и дожиганием газов. Большой эффект дает применяемое повсеместно за рубежом н на некоторых заводах СССР сухое тушение кокса рециркулирующими в замкнутой системе инертными газами (СО₂ до 10, СО —8—14, Н₂— 1— 2, О₂ — 1%, остальное — азот). Утилизируемое тепло этих газов исполь­зуется для производства пара, в том числе для пароинжекции при без­дымной загрузке, таким образом частично реализуется замкнутая безот­ходная технология производства кокса.

Значительные количества загрязняющих атмосферу компонентов выбрасывают ТЭЦ металлургических заводов. От них в среднем в ат­мосферу поступает 17—20 % всего количества пыли и диоксида серы, 25—39 % оксида азота. Оксиды азота выбрасываются в виде NO, кото­рый при взаимодействии с озоном воздуха превращается в семь раз более токсичный NO₂. Очевидно, что ТЭЦ как крупные загрязнители ат­мосферы в первую очередь должны оснащаться совершенным пылеулав­ливающим оборудованием. Существуют способы частичного (на 40— 60 %) подавления образования NO в топках котлов. Эти способы пони­жают максимальную температуру в зоне горения. Они заключаются в применении рециркуляции в зону горения дымовых газов или двухсту­пенчатого растянутого сжигания топлива и не требуют значительных ка­питальных затрат. По разработкам Института газа АН УССР методы внедрены я внедряются на многих котлоагрегатах систем Минэнерго СССР и УССР, в том числе в системах Киевэнерго, Мосэнерго и др.

УкрГИПРОмез при консультации Института газа АН УССР выпол­нил несколько проектов переоборудования паровых котлов ТЭЦ метал­лургических заводов на режимы двухстадийного сжигания топлива, что позволит на 30—60 % снизить выброс оксидов азота в атмосферу. Ана­логичные решения могут быть применены и для заводов Донецкого региона.

Необходимо остановиться на двух общих вопросах. В семидесятых годах рассматривалась возможность коренной реконструкции Донецко­го металлургического завода в экологически значительно более чистое металлургическое производство, основанное на процессе прямого полу­чения железа, минуя доменный процесс. Предполагалось использовать богатые железные руды Куксунгурского месторождения в Донецкой об­ласти. Были выполнены технико-экономические и технологические про­работки и представлены в Правительство соответствующие предложе­ния. По-видимому, есть необходимость рассмотреть этот вопрос заново, учитывая появившийся за это время опыт Оскольского электрометал­лургического комбината, а также территориальную возможность строи­тельства шахтных печей прямого получения железа. Мариупольским филиалом УкрГИПРОмеза, Институтом газа АН УССР и др. еще в 1976 г. разработаны мероприятия по ликвидации повышенного загрязнения ат­мосферного воздуха г. Мариуполя вредными веществами н защите био­логической жизни Азовского моря от вредных стоков. Были определены объемы и сроки необходимых ОКР и разработки головных образцов га­зоочистного оборудования, химической водоочистки, автоматических га­зоанализаторов и контроля. Капитальные вложения на выполнение ме­роприятий по защите атмосферного воздуха тогда оценивались примерно в 320 млн руб. при сроке окупаемости в 5 лет. Тогда же были поставлены вопросы перед Госкомгидрометом СССР о включении Мариупольского промышленного района в число мест внедрения первых отечественных систем мониторинга. Представляется необходимым вернуться к рассмот­рению этих вопросов вновь, тем более, что можно многое использовать из ранее проделанной работы.

Вредные выбросы прокатных цехов в атмосферу

 В прокатном производстве, как и в остальных производ­ствах, имеются организованные технологические и неорга­низованные выбросы. Основной источник технологических выбросов - нагревательные колодцы, печи и машины огне­вой зачистки. Источники неорганизованных выбросов: на­гревательные колодцы во время открывания крышек, на­гревательные печи при недостаточной тяге, рабочие клети, ножницы для резки металла, огневая и механическая за­чистки заготовок, удаление шлака в шлаковых коридорах у нагревательных устройств и др.
Выбросы цехов горячей прокатки

Основным источником организованных вредных выбро­сов в цехах горячей прокатки являются нагревательные печи и колодцы.

Нагревательные устройства отапливаются природным, коксовым, доменным газами и их смесью. Некоторые печи трубопрокатных цехов отапливаются жидким топливом - мазутом. Количество продуктов сгорания в нагревательных печах   и колодцах зависит от тепловой работы этих агре­гатов и составляет 700-1000 м³/т нагреваемого металла.

При сжигании природного газа в нагревательных устрой­ствах воздух практически не загрязняется.

При сжигании серосодержащего топлива (мазута, коксо­вого и коксодоменного газов) в атмосферу поступает сернис­тый ангидрид, количество которого зависит от содержания серы в топливе и его расхода.

Неорганизованные выбросы цехов горячей прокатки

Вредные неорганизованные выбросы в отделениях нагре­вательных колодцев выделяются из ячеек (во время откры­вания крышек колодцев) и шлаковых коридоров (во время удаления шлака).

На основании натурных замеров, выполненных в цехах блюминга и слябинга работниками Московского институ­та "Сантехпроект", было установлено, что при недостаточ­ной тяге в прорывающихся отходящих газах нагреватель­ных колодцев содержится окись углерода в количестве до 150 г/т проката. Удельные выбросы пыли в прокатных цехах блюминга и слябинга составляют 50 г/т, через вы­тяжные фонари выбрасывается 15% этого количества, т.е. примерно 11 г/т проката, при этом на долю отделения нагревательных колодцев приходится 7 г/т, а на отделение стана 4,г/т.

В шлаковых коридорах нагревательных колодцев реку­перативного типа загазованность незначительная, запылен­ность также невелика - в среднем 2-8 мг/м³. Однако при спуске шлака запыленность возле ковшей повышается до 15-20 мг/м.

Неорганизованные выбросы  листопрокатных  и  крупно­сортных цехов содержат окись углерода и пыль.

Технологические выбросы в отделениях огневой зачистки металла

Общее удельное количество окиси углерода, выделяю­щейся из печного отделения при несовершенной конструк­ции горелочных устройств и недостаточной тяге (выбивание газов из рабочего пространства), составляет до 200 г/т проката. Удельное количество пыли, выделяющейся че­рез фонари, составляет в среднем до 16 г/т проката и до 0,27 г/м² прокатываемого листа.

Общее удельное количество пыли, выделяющееся при прокатке металла, составляет 100 г/т, или 1,8 г/м² .
Для удаления поверхностных дефектов с прокатных за­готовок применяют огневую зачистку на специальных ма­шинах огневой зачистки (MOЗ).

Удельный объем газов, отсасываемых от МОЗ слябинга, в среднем составляет 35 м³/м² поверхности сляба, а от блюминга 45 м³/м² поверхности блюма (при глубине зачи­щаемого слоя 2-3 мм). Эти объемы соответствуют 5-6-крат­ному разбавлению воздухом, подсасываемым через газозаборное устройство, и могут быть уменьшены в результате улучшения конструкции вытяжного зонта.

Удельные величины вредных веществ, выбрасываемых с продуктами сгорания от МОЗ, отнесенные к 1 м² зачищае­мой поверхности заготовки при глубине зачистки 1 мм, при объеме отсасываемых газов 13 м³ (м³*мм) и расходе кислорода в период зачистки 3,3 м³/(м²- мм) составляют, г: пыли 40; СО 0,8; S0₂ 0,4; NO 0,5.

Процесс травления заключается в удалении окалины с поверхности металла путем обработки ее растворами. При травлении, кроме окислов, растворяются и металлы. При этом образуется водород, который, удаляясь из ванны в виде пузырьков, увлекает с собой некоторое количество тра­вильного раствора, что определяет состав вредных выбросов.

Неорганизованные выбросы в цехах горячей прокатки выделяются при открывании нагревательных колодцев (не­сгоревшие продукты сгорания), через неплотности (забиваются газы из печи), при прокатке металла (образуется пыль). Неорганизованные выбросы окиси углерода в режиме нагревательных колодцев составляют до 150 г/т проката, а с выбивающимися газами нагревательных печей (при недо­статочной тяге) до 200 г/т.
На многих предприятиях проблему обеспыливания пытались решить, применяя гидрообеспыливание, осуществляемое с по­мощью форсунок с тонким распылением воды, механическим и пневматическим, равномерным орошением мест пылевыделения через дырчатые трубы и т. п. Однако такие способы не дали по­ложительных результатов.

Загрязнение  воды в прокатном производстве

Наилучшие результаты достигаются при смыве пыли ком­пактной струей воды  в месте ее образования. Вода подается на прокатываемый металл в месте выхода его из вал­ков и отводится по специальному желобу. При прокате листа толщиной 2 мм степень обеспыливания 98—99 %. При этом до­полнительного, нежелательного охлаждения листа практически не происходит.

При гидросмыве ориентировочный расход воды равен, м³/ч: на блюминге 40, слябинге 30, на одну клеть листового стана 6—10, непрерывного сортопрокатного стана  и на один проход на раскатном стане.

Повышение производительности труда в машиностроительной промышленности повлекло к поиску более совершенных СОЖ. В связи с этим возникла острая необходимость в создании мето­дических подходов к ускоренной оценке токсичности и опасности СОЖ на стадии их разработки. Лабораторией токсикологии Института гигиены труда и профзаболеваний АМН СССР была разработана и апробирована схема первичной оценки токсичности и характера вредного действия СОЖ, включающая изучение ток­сичности вещества при однократном введении, исследование местного, кожно-резорбтивного и сенсибилизирующих эффектов [1].

С целью токсикологической характеристики новых образцов СОЖ исследования проведены в соответствии с разработанными методическими указаниями и рекомендациями, но длительности эксперимента, правилам введения СОЖ, количеству обследуемых животных в группе [1, 2]. Исследования проведены на четырех видах животных (крысы, мыши, морские свинки, кролики). Все исследованные новые СОЖ относятся к IV классу мало­опасных соединений, их сенсибилизирующие и кожно-резорбтивные свойства не выявлены. Анализ результатов эксперимента свидетельствует, что, как правило, СОЖ малотоксичны при вве­дении в желудок и внутрибрюшинно; они допущены к производственным испытаниям.
Проведенная токсикологическая экспертиза СОЖ показала, что действие на кожу является ведущим показателем, по которому необходимо производить отбор хими­ческих веществ этой природы для производственных испытаний при условии их низкой токсичности.
Для обоснования ПДК СОЖ требуется значительно больше времени и экономических затрат. Настоящая экспертиза позво­ляет сократить сроки своевременного отбора веществ, для которых необходима разработка ПДК.

Однако применение СОЖ в ряде производств сопровождается высокими температурными режимами, что может вести к деструк­ции смазок и образованию многокомпонентных газо-паро-аэро-зольных смесей. Последнее требует специального изучения в плане гигиенической оценки применения СОЖ.

Проведенные исследования свидетельствуют о низкой токсич­ности изученных СОЖ, несмотря на различия в их химическом составе.