Анализ работы систем удаления и очистки газов крупнотоннажных дуговых сталеплавильных печей с целью разработки путей повышения их энерго-экологической эффективности

Металлургический комплекс, являясь базовой отраслью народного хозяйства, вносит существенный вклад, как в экономику России, так и в загрязнение окружающей среды. Развитие черной металлургии неизбежно связано совершенствованием сталеплавильного производства, с применением дуговых сталеплавильных печей (ДСП) и с увеличением доли выплавляемой в них стали. Ожидается, что уже в первой половине XXI века общемировая доля выплавки стали в ДСП достигнет 50%. Причем, из-за неизбежного резкого обострения ресурсных ограничений в применении ископаемого топлива в XXI веке, вектор дальнейшего эволюционного развития высокотемпературной металлургии будет направлен в сторону еще более решительного использования электропечей в сталеплавильных процессах.

В XXI веке, как отмечают многие исследователи [1−9], во всех современных схемах производства стали обязательным компонентом является электросталеплавильный процесс — переплав лома или лома и окатышей. В ряде стран производство стали из лома в ДСП уже сейчас превышает 50% (в Италии — 73%, в США — 58%, во Франции — 53%, в Корее — 51%).

Сравнительный энерго-экологический анализ различных новых и старых технологий сталеплавильного производства показывает, что наша страна отстает от стран с развитой металлургией по такому важнейшему ее показателю, как энергоемкость производства стали. Так, по данным института металлургии и материаловедения им. A.A.

Байкова РАН, отраслевая энергоемкость производства стального проката в 2005 г. составила (в скобках указано годовое производство стали в стране, млн. т): Китай — 1092 кг у.т./т (340), США — 853 кг у.т./т (92), ЕС — 853 кг у.т./т (100 для 15 европейских стран), t.

Япония 887 кг у.т./т (110), Россия 1228 кг у.т./т (64). Видно, что при производстве стали в России потребляется наибольшее удельное количество энергии. Причин этому достаточно много, но главные из них — это высокие потери энергии, малая доля использования вторичных энергоресурсов, включая тепло уходящих газов, а также самая низкая доля непрерывной разливки стали.

Практический поворот к электрометаллургическим технологиям производства стали и их развитие связаны с появлением дополнительных проблем энергетического и экологического характера. Современные крупнотоннажные дуговые сталеплавильные печи, получающие все большее распространение в последние годы, имеют емкость более 100 т и производительность до 100 т/ч и более. Предпочтение для таких печей отдается производству стали дуплекс процессом, когда полупродукт выплавляется из металлолома в ДСП, а последующее легирование производится в печи-ковше. В результате постоянного совершенствования технологии выплавки стали в дуговых пенах произошли значительные изменения показателей их работы. За последние годы масса плавок, выпускаемых крупнотоннажными ДСП, возросла с 86 до 110 т, продолжительность плавки уменьшилась от 105 до 60−70 мин, мощность трансформаторов увеличилась с 60 до 80 МВ-А, расход электродов сократился с 2,9 до 1,9 кг/т, а удельный расход электроэнергии уменьшился с 450 до 300−320 кВт-ч/т [1].

Столь высокие показатели работы печей, свидетельствующие о доведении их до уровня высоких технологий, получаются за счет применения современных методов интенсификации производства, увеличения доли топливной составляющей в балансе печей, что, естественно, ведет к существенному изменению качественных и количественных показателей пылегазовых выбросов, к их существенному увеличению. Увеличение газовыделения ДСП и постоянно возрастающие требования по их сокращению приводит не только к необходимости совершенствования: систем очистки газов, но и, часто, требует их замены. Поэтому современное развитие электросталеплавильного производства направлено на достижение наивысших показателей производительности, ресурсосбережения и экологии.

Для обеспечения высоких экологических требований современные крупнотоннажные ДСП оборудуют системами отвода и очистки газов, отличающимися огромными объемами очищаемых газов. Производительность таких систем достигает 15 тыс. м3 очищаемых газов на тонну выплавляемой стали, что в десятки Р23 превышает газовыделение этих печей и связано со значительными капитальными затратами и затратами энергии на очистку. Энергозатраты, только на транспортирован ие очищаемых газов, могут достигать 40−60 кВт ч/т, что составляет 15−20% и более от обших расходов энергии на выплавку стали в печи. Поэтому поиск путей повышения эффективности работы систем очистки газов актуален как с точки зрения защиты окружающей среды, так и с точки зрения энергосбережения.

При сохранении существующих технологий работы ДСП с интенсивным использованием топлива проблемы защиты окружающей среды от газообразных выбросов существенно обостряются. Применение природного газа приводит к значительному увеличению выбросов оксидов углерода, оксидов азота и других соединений, а применение пылеугольного топлива — оксидов серы. Одновременно возрастут и эквивалентные выбросы в системах производства электроэнергии, 41−0 делает традиционную («мокрую») очистку от пыли сильно разбавленных газов дуговых сталеплавильных печей экологически малополезной, а энергетически — расточительной, так как минимальные затраты электроэнергии на очистку 1 м³ газа только от пыли в таких системах достигают 3 Вт ч [2], что превышает затраты при очистке в рукавных фильтрах до 5 раз.

Проблема экологически чистого сталеплавильного производства может быть решена предотвращением неорганизованных выбросов и увеличением эффективности работы систем отвода и очистки газов. Правильный учет количественных показателей технологических и удаляемых газов, правильная организация системы отвода и подготовки газов позволяет существенно уменьшить капитальные и эксплуатационные расходы, которые при модернизации газоочистного оборудования могут достигать 50% от расходов основного производства [3].

Связь энергетических показателей производства с экологическими показателями очевидна. Это указывает на необходимость выявления значимых энерго-экологических показателей и, на их основе, совершенствования способов отвода и очистки газов, а также на необходимость их выявления и учета при проектировании систем очистки газов. Поэтому целыо настоящей работы является совершенствование систем отвода, дожигания и очистки газов крупнотоннажных дуговых сталеплавильных печей, направленное на повышение их энерго-экологической эффективности, уменьшение объемов очищаемых газов и на сокращение выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух.

В настоящей работе ставились следующие задачи исследования: выявление уровня воздействия на окружающую среду различных ингредиентов загрязняющих веществ, выбрасываемых при работе ДСП;

— совершенствование методов расчета и оценки газовыделения крупнотоннажных ДСП;

— исследование условий дожигания технологических газов ДСП и оптимизация режимов работы узлов их дожигания и охлажденияизыскание путей повышения эффективности отвода и очистки газов ДСП при сокращении энергозатрат на очистку.

В процессе проведения работы показано, что компонентный состав загрязняющих веществ, выбрасываемых крупнотоннажными ДСП, должен быть существенно расширен за счет таких ингредиентов, как цианиды, углерод (сажа), пары масел, а также высокотоксичных загрязнителей — бенз (а)пирен, диоксины и фураны. Показано, что несмотря на незначительную массовую долю в выбросах ДСП супертоксичных: загрязнителей (бенз (а)пирен, диоксины и фураны), их вклад в загрязнение окружающей среды весьма существенен, что требует принятия мер по их сокращению.

Теоретические и экспериментальные исследования в условиях: электросталеплавильного производства на ЗАО «Волгоградский металлургический завод.

ВМЗ) «Красный Октябрь» позволили усовершенствовать методику расчета газовыделения, учитывающую специфику газовыделения в современных крупнотоннажных ДСП как в рабочем пространстве печи, так и при их дожигании на выходе из печи. Проведенные исследования позволили дать оценку влияния технологических характеристик работы ДСП на процесс газовыделения и повысить надежность проектирования системы очистки газов.

Показано, что установка за ДСП систем очистки с использованием рукавных фильтров надежно и эффективно решает проблему очистки газов от пыли и частично от конденсата (включая бенз (а)пирен, цианиды и некоторые фториды, диоксины и фураны). Образование же при высоких температурах других газообразных вредных веществ (оксидов азота, стойких органических загрязнителей (СОЗ), в том числе диоксинов и фуранов) и их выбросы сильно зависят от температурного режима и окислительного потенциала газов в атмосфере печи и по тракту газоудаления. Содержание в отходящих газах оксида углерода, обнаружение которого не вызывает серьезных затруднений, является достаточно надежным косвенным показателем присутствия в них различных органических соединений.

В работе предложены методы совершенствования условий дожигания и охлаждения технологических газов, что может снизить общие объемы очищаемых газов, а следовательно и энергетические затраты на их транспортирование и капитальные затраты на строительство очистных сооружений, а также способствовать существенному сокращению выбросов стойких органических загрязнителей, наиболее токсичными из которых являются диоксины и фураны. Исследования, проведенные на ДСП 125 И7 ЗАО «ВМЗ «Красный Октябрь» указали, что, несмотря на огромные количества поступающих на очистку газов, вопросы эффективного дожигания и охлаждения технологических газов современных ДСП не решены. Показано, что основой решения экологической проблемы ДСП является полная деструкция диоксинов в зоне высокотемпературного дожигания газов. При этом оценены условия эффективной работы систем испарительного охлаждения газов, позволяющие в несколько раз снизить объемы очищаемых газов, а следовательно и энергетические затраты на их транспортирование и капитальные затраты на строительство очистных сооружений. Решением проблемы эффективного дожигания и охлаждения технологических газов является их высокотемпературное дожигание с последующим испарительным охлаждением.

Установлено, что важным инструментом, способствующим сокращению энергозатрат в электросталеплавильном производстве, может служить снижение энергоемкости систем очистки газов. При этом, одним из наиболее эффективных путей экономии, представляется сокращение энергозатрат за счет уменьшения расходов на транспортирование газов путем сокращения неоправданно большого количества аспирадионных газов, поступающих на очистку. Анализ работы современных систем аспирации указал на необходимость отказаться от неспецифичной для них функции — необходимости охлаждения технологических газов. Охлаждение технологических газов можно и нужно проводить не разбавлением низкотемпературными аспирационными газами, а более эффективными и энергетически выгодными способами: спрейерным испарительным охлаждением путем впрыском воды, либо охлаждением с использованием котлов-утилизаторов или подогревом металлического лома.

Показано, что эффективная работа аспирационных систем сталеплавильных цехов в значительной степени определяется герметичностью печей, непрерывностью их работы и стабильностью газового режима, выбором конструкции и системы установки зонтов, использованием аспирационных газов в качестве окислителя горючих компонентов и.

•5 возможностью сокращения их удельного объема до 2−3 тыс м /т и менее.

На защиту выносятся новые концепции удаления, дожигания, подготовки и очистки газов современных крупнотоннажных дуговых сталеплавильных печей и принципы совершенствования систем очистки газов на основе их энерго-экологических показателей.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы 119 наименований. Работа изложена на 142 страницах машинописного текста, содержит 32 рисунка, 19 таблиц, 5 приложений.

6.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Исследованы качественные и количественные показатели выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при работе современных крупнотоннажных ДСП. Установлено, что при оценке воздействия на окружающую среду выбросов ДСП нельзя ограничиваться только выбросами загрязняющих. веществ, массовая доля которых значительна. Оценочные расчеты позволили установить уровень выбросов в атмосферу таких ингредиентов, как цианиды, углерод (сажа), пары масел, а также высокотоксичных загрязнителей — бенз (а)пирена, диоксинов и фуранов. Показано, что вклад в загрязнение атмосферного воздуха этих ингредиентов загрязняющих веществ с учетом степени воздействия на окружающую среду, не смотря на их массовые доли, может превышать 1/3 общей доли выбросов загрязняющих веществ.

Показано, что с учетом степени воздействия на окружающую среду компонентов пыли и адсорбированных на ней веществ для очистки газов ДСП необходимо применение рукавных фильтров с эффективностью выше 99%, обеспечивающих остаточную концентрацию пыли менее 5−10 мг/м .

2. Для оценки газовыделения, изменения состава и количества газов в системе дожигания и очистки газов современных крупнотоннажных ДСП усовершенствован метод расчета, позволивший проводить расчеты с учетом особенностей протекания технологического процесса в этих печах для разных периодов плавки и рассматривать как единое целое металлургический агрегат и систему дожигания и очистки газов. Реализация метода расчета в математической оболочке «МаШСас1−12» позволила оценить энергоэкологическую эффективность решений по совершенствованию систем дожигания, обработки и очистки газов крупнотоннажных ДСП.

3. Исследования, проведенные на дуговой сталеплавильной печи № 6 (ДСП 125 И7) ЗАО «ВМЗ «Красный Октябрь», оборудованной старой системой отвода технологических газов производительностью 100 тыс. м3/ч, позволили выявить наиболее неблагоприятные, с точки зрения загрязнения окружающей среды, периоды плавки и адаптировать для этих условий предложенный метод расчета. Расчеты показали, что для локализации неорганизованных выбросов в периоды максимального газовыделения этой печи количество отводимых технологических газов следует увеличить как минимум в 2 раза.

4. Экспериментальные исследования состава и количества технологических газов, а также показателей загрязнения атмосферного воздуха на ДСП 125 И7 ЗАО «ВМЗ «Красный Октябрь» подтвердили, что в продуктах горения и дожигания технологических газов, несмотря на высокое содержание кислорода, было обнаружено значительное fl • '.

131 количество горючих компонентов (СХНУ, Нг, СО). В частности, концентрация углеводородов СХНУ достигала 580 мг/м, водорода Нг — 90 мг/м (в периоды работы ТКГ), СО — 3400 мг/м3, что свидетельствует о неудовлетворительной работе узла дожигания и наличие в уходящих газа высокотоксичных загрязнителей.

5. Экспериментально установлено, что в процессе работы ДСП характер изменения концентраций монооксида углерода и углеводородов по ходу плавки одинаков. Это указывает на то, что содержание монооксида углерода в продуктах дожигания технологических газов может быть весьма эффективным косвенным индикатором присутствия в продуктах дожигания углеводородов, а также сажи, паров масел и СОЗ (включая диоксины и фураны).

6. Обобщение литературных данных, а также данных экспериментальных исследований и расчетов позволили установить, что для обеспечения эффективного дожигания технологических газов при минимальном образовании СОЗ и других горючих загрязнителей на выходе из печи необходимо соблюдение следующих основных условий: камера дожигания и выдержки должна быть футерована, температура — более 1200 °C, режим смешения газов — высокотурбулентный, струйный, избыток кислорода — 02>2−3%и фактическая длительности выдержки продуктов горения при той же температуре — не менее 2 с и содержание СО на выходе — менее 15 мг/м .

7. Разработанные для ДСП 125 И7 ЗАО «ВМЗ «Красный Октябрь» режимы высокотемпературного дожигания технологических газов в стационарном газоходе с последующим спрейерным испарительным охлаждением были использованы ООО «Гипрогазоочистка инжиниринг» при проектировании системы очистки газов с использованием одного блока газоочистки, что позволило уменьшить объемный расход продуктов дожигания в 2 и более раза Расчеты показали, что эффективность реконструкции системы очистки газов по варианту с использованием одного блока газоочистки в сравнении с вариантом работы на два блока за счет сокращения капитальных и эксплуатационных затрат составляет 62 679 680 руб./год.

8. Для обеспечения эффективных условий дожигания и охлаждения технологических газов в традиционных условиях эксплуатации крупнотоннажных ДСП предложен вариант совершенствования схемы дожигания и охлаждения технологических газов в стационарном газоходе. На способ отвода и очистки газов дуговой сталеплавильной печи и устройство для его осуществления подана заявка о выдаче патента РФ на изобретение № 2 010 128 976 от 14.07.2010 г.

9. Анализ энерго-экологической и экономической эффективности применения современных систем аспирации указал на необходимость отказаться от неспецифичной.

1132 для них функции — охлаждения технологических газов. Предложены пути сокращения объемов аспирационных газов ДСП. Показано, в частности, что замена традиционно используемого в рукавных фильтрах Лавсана (термостойкость 130−150 °С) на Иошех (термостойкость 200−220 °С) позволяет до двух раз сократить количество аспирационных газов, необходимых для охлаждения газов перед фильтром, что делает применение этого материала экономически оправданным.

10. Показано, что эффективная работа аспирационных систем сталеплавильных цехов в значительной степени определяется герметичностью печей, непрерывностью их работы и стабильностью газового режима, использованием аспирационных газов в качестве окислителя горючих компонентов. Разработана концепция такой системы, позволяющая сократить объем газов, поступающих на очистку, до 2000;3000 м3/т, организовать эффективное их дожигание и, как следствие, сократить расход электроэнергии на транспортировку и очистку газов до 5−10 кВт ч/т.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На основе учета уровня воздействия на окружающую среду выбросов отдельных ингредиентов загрязняющих веществ обосновано применение рукавных фильтров для очистки газов ДСП от пыли эффективностью выше 99% (до остаточной концентрации пыли менее 5−10 мг/м3). Установлено, что традиционный компонентный состав выбросов крупнотоннажных ДСП должен быть расширен за счет таких ингредиентов загрязняющих веществ как цианиды, углерод (сажа), пары масел, а также высокотоксичных загрязнителей — бенз (а)пирена, диоксинов и фуранов. Показано, что, несмотря на незначительные массовые доли этих веществ в выбросах ДСП, их вклад в загрязнение атмосферного воздуха может превышать 1/3 общей доли выбросов загрязняющих веществ.

2. Усовершенствован метод расчета состава и количества газов для различных периодов работы современных крупнотоннажных ДСП, позволяющий проводить расчеты с учетом особенностей протекания технологического процесса и рассматривать как единое целое металлургический агрегат и систему отвода и очистки газов, а также оценивать условия дожигания и охлаждения технологических газов.

3. Подтверждена экспериментальными и расчетными методами ведущая роль узла дожигания и охлаждения технологических газов в системе очистки газов ДСП. Установлены условия смешения и температурно-временные ограничения высокотемпературного дожигания технологических газов, позволяющие обеспечивать эффективное дожигание. Показано, что только при дожигании технологических газов с температурой более 1200 °C монооксид углерода при концентрации менее 15 мг/м3 может служить надежным индикатором эффективного дожигания как различных углеводородов, сажи и углеродной пыли, так и сырьевой основы образования стойких органических загрязнителей (СОЗ), в том числе диоксинов и фуранов.

4. Разработаны концепции удаления, дожигания, подготовки и очистки газов крупнотоннажных дуговых сталеплавильных печей как для традиционных условий их эксплуатации, так и для условий вновь создаваемых агрегатов, позволяющие сократить объемы очищаемых газов и повысить энерго-экологическую эффективность очистки.