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 мэ/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.