Аналіз очистки доменного газу при виробництві чавуну

 

Вступ

 Доменне виробництво має великий вплив на забруднення навколишнього середовища, так як при виробництві чавуну утворюється велика кількість газових викидів та відходів

У наш час гострою є  проблема забруднення атмосфери, зокрема  викидами від металургійних агрегатів. Діючі схеми очистки доменного  газу мокрим способом знижують ефективність використання доменного газу в якості вторинного енергетичного ресурсу, також через насичення ДГ водяними парами знижується його теплота згоряння, а фізичне тепло повністю втрачається  з водяною парою.

На основі аналізу та виконаного огляду досліджень з цієї теми на різних підприємствах розроблена технологія очищення доменного газу сухим способом, а також розроблені рекомендації з використання доменного газу в  якості вторинних енергетичних ресурсів (ВЕР).

Поліпшення екологічної  обстановки на металургійних підприємствах, зниження витрат води в доменному  цеху, економія енергетичних ресурсів в результаті використання доменного  газу як палива.

 

Розробка технології очищення доменного газу сухим способом з  метою поліпшення екологічної обстановки на металургійних підприємствах, зниження витрат води в доменному цеху, економії енергетичних ресурсів, збільшення ступеня  використання ВЕР і вторичних матеріальних ресурсів (ВМР) доменного виробництва.

 

 

 

1.Технологія виробництва чавуну

Чавун - найважливіший первинний  продукт чорної металургії. Він використовується як ливарний сплав, але, основне, як сировина для виготовлення сталі. Широкому використанню чавуну сприяє його міцність та добрі  ливарні якості. В машинобудуванні  на долю чавунних деталей припадає 75 % від загальної маси заготовок.

Заводи з виробництва  чавуну в Україні здебільш прив’язані до залізорудних гірничодобувних комбінатів і до джерел виготовлення коксу. Найбільша  кількість їх розташована в районах: Наддніпрянщина (Дніпропетровськ, Дніпродзержинськ, Запоріжжя); Криворіжжя (Кривий Ріг); Донбас (Донецьк, Макіївка, Алчевськ, Костянтинівка, Енакієво, Краматорськ); Приазов’я (Маріуполь, Керч).

Сучасне виробництво дозволяє виробляти чавун різної якості, що визначає його різне використання в  народному господарстві.

Існують такі види чавуну:

1) сірий - використовують в машинобудуванні, будівельних конструкціях і сантехніці;

2) половинчастий – використовують  як фрикційний матеріал (гальмівні  колодки) і для деталей підвищеної  зносостійкості  (прокатні валки);

3) високоміцний – використовують  для заміни стальних, ливарних  та ковких деталей в машинобудуванні; 

4) білий – використовують  для виготовлення деталей, що  працюють в умовах підвищеного  абразивного зношування;

5) ковкий – переважно  використовується в автомобільному, тракторному і сільськогосподарському  машинобудуванні; 

6) легований ‑ знаходить застосування в середовищах з підвищеною агресивністю і перенавантаженням.

   Чавун одержують в доменних печах (рис. 1.1). Металургійний цикл розпочинається з підготовки руди, з якої виготовляють чавун. Первинна підготовка руди має велике значення: чим ретельніше підготувати руду до доменної плавки, тим вища продуктивність печі, нижчі витрати палива та вища якість чавуну, що виплавляється.

Схема підготовки руди складна  і має таку послідовність: подрібнення, магнітна сепарація, флотація, усереднення, окускування залізної сировини, отримання  окатишів.

Шихта-суміш, що подається  в лійку доменної печі, складається  з таких основних частин, які беруться у відповідних співвідношеннях: руда у вигляді червоних, бурих, магнітних  залізняків або залізного шпату (40...70%), колошниковий пил (20...30%), чавунний брухт (5...10%). Для виплавляння чавуну з руди потрібно в доменній печі підтримувати температуру близько 1500°С.

Для цього в печі запалюють  різні види палива, основним з яких є кам’яновугільний кокс. Але з  метою зниження витрат коксу та підвищення інтенсивності виплавки чавуну в  доменну піч вдувають природний  газ, а також додають мазут  та вугільний пил.

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.1 Доменна піч

1 – подача шахти; 2 ‑ лійка; 3 – вихід колошникового газу;

4 – повітряна фурма; 5 – шлакова летка; 6 –горно; 7 – чавуна летка

В залізних рудах і в  золі від коксу містяться кремнезем  та глинозем у надмірних кількостях, тому в шихту як флюс додають вапняк або доломіт. Вони сприяють шлакуванню сірки – шкідливої домішки  в чавуні.

Отримання чавуну можна описати  такою загальною схемою: підготовка шихти – завантаження печі –  доменний процес – розлив чавуну.

Підготовка шихти перед  завантаженням в доменну піч  заключається в її агломерації (спіканні) або у виготовленні з неї окатишів. Але ці процеси супроводжуються  виділенням значної кількості пилу і шкідливих газів.

Так виробництво 1 т агломерату супроводжується виділенням 2500…4000 м3 газів, які містять 5…60% г/м3 пилу, 0,3…3% оксиду вуглецю, 4…10%  діоксину  вуглецю, 12…17% кисню, 0,01…0,60%  діоксидів  сірки, азот та інертні гази. При  виробництві окатишів з 1 м2 корисної площі машини виділяються 63…69 м3/хв газів, які містять 2,2…3,7% діоксиду вуглецю, 75...78% азоту, 15…20% кисню, 1,6…5,7% водню, 0,1 оксиду вуглецю, 0,03…0,2 діоксиду сірки,  2,5…4% пилу.

   Подрібнені шматки агломерату або окатиші за допомогою скипів подаються у верхню частину доменної печі – лійку, відкіля вони через колошниковий затвор потрапляють в шахту. Шахта має конусоподібну форму, що дозволяє шихті внаслідок розширення при нагріванні вільно рухатись вниз до розпару. На рівні розпару та заплечиків утворюється губчасте залізо, яке поступово навуглецьовується, плавиться і стікає в горно.

Разом з чавуном в горно  потрапляє рідинний шлак, який є  побічним продуктом плавки. Він утворюється  в доменній печі з флюсів, золи коксу, пустої породи та агломерату. Чим бідніша  шихта на вміст заліза, тим більший  вихід шлаку з печі. В середньому в Україні на кожну тонну чавуну припадає 0,3…0,6 т шлаку.

Так як рідинний чавун має  густину (6900 кг/м3) набагато більшу ніж  густина рідинного шлаку (2500 кг/м3), то в нижній частині горну збирається чавун, а у верхній – шлак. Для  випуску їх з печі в кожній зоні горну влаштовують дві леткі: нижня для чавуна, верхня для шлаку.

 

 

 

 

 

 

 

1.1. Вихідні матеріали, що використовуються при виробництві чавуну

Руда - гірська порода, в  якій залізо знаходиться у вигляді  хімічних сполук з киснем, сіркою і  іншими елементами. В руді знаходяться  інші з'єднання, що не містять заліза, такі як кремнезем (SiO₂), глинозем (А₁₂О₃) і ін. Вони практично повністю переходять в шлак.

У рудах присутні такі залізовмісні мінерали: магнітний залізняк, червоний залізняк, бурий залізняк, шпатовий залізняк.

Магнітний залізняк складається  головним чином з мінералу магнетиту (Fe₃O₄). Ця руда містить 60-70% заліза і невелику кількість шкідливих домішок (сірки і фосфору), вона важка, майже чорного кольору, має високу щільність і володіє магнітними властивостями.

Червоний залізняк містить  в основному мінерал гематит - безводний оксид заліза (Fе₂O₃). Руда червоного кольору з різними відтінками, пориста, внаслідок чого залізо легше відновлюється.

Бурий залізняк є водним оксидом заліза і зустрічається  у вигляді лимоніту (2Fe₂О₃^.ЗН₂О) і гетиту (Fе₂O₃^.Н₂О). Руда бурого кольору з відтінками.

Шпатовий залізняк - це вуглекислі з'єднання заліза - сидерити (FеСО₃), найбідніша руда. Вона сірого, жовтуватого або бурого кольору.

Виплавка чавуну відбувається при високій температурі. Джерелом тепла є паливо, яке бере участь у хімічних реакціях, що протікають при виробництві чавуну.

Паливо для виробництва  чавуну повинно мати високу теплотворну  здатність, міцність, пористість, невелику зольність і мінімальний вміст  сірки. Цим вимогам відповідає кокс. Він добре горить, розвиває високу температуру і зберігає достатню міцність. Кокс є основним видом палива при виплавці чавуну.

Одержують кокс шляхом сухої  перегонки кам'яного вугілля, що коксується, в коксівних печах. Процес коксування полягає в нагріванні вугілля без доступу повітря  до температури 1000-1100 °С.

Для нормального ходу доменного  процесу необхідно, щоб домішки  плавилися при певній температурі  після відновлення з руди заліза. Температури плавлення домішок  і золи палива, що є в шихті, значно вище необхідних.

Для зниження температури  плавлення пустої породи і золи в  доменну піч вводять флюси, які  сплавляються з порожньою породою  руди і золою, утворюючи шлак. Флюсом при отриманні чавуну є вапняк.

 

1.2 Підготовка руди до плавки

Залежно від характеристики руди, що добувається, застосовують наступні стадії підготовки:

1) дроблення; 

2) сортування по класах крупності;

 3) збагачення;

4) опал;

5) усереднення;

6) окускування. 

Машини, що застосовують для  дроблення - дробарки, можуть зменшувати розмір кусків до 5-6 мм. Отримання менших фракцій називають подрібненням. Його здійснюють в млинах різних конструкцій.

Дроблення і подрібнення  майже завжди супроводжується грохоченням  і класифікацією - процесами, мета яких - розділення кусків і частинок руди по крупності. Відмінність грохочення від класифікації полягає в тому, що при грохоченні проводять сортування кусків на ситах, а класифікацією  розділяють дрібні куски і частинки (менше 1-3 мм) у водному або в повітряному середовищі.

Збагачення - розділення руди на концентрат з високим вмістом  рудного мінералу  і хвости з  низьким його вмістом. Існують такі способи збагачення корисної копалини: 1) промивка; 2) гравітаційне збагачення; 3) магнітна сепарація; 4) флотація.

Промивка ефективна для  матеріалів з м'якою, особливо глинистою  порожньою породою і щільними мінералами металу. Гравітаційне збагачення засновано на відділенні корисних мінералів  від порожньої породи по відмінності  їх питомої щільності. Магнітна сепарація  заснована на різній магнітній сприйнятливості  залізовмісних мінералів і частинок порожньої породи. Флотація заснована  на різній змочуваності поверхні зерен  рудних мінералів і пустої породи.

Окислювальне випалення (нагрів руди до високих температур 900-1000°С в атмосфері повітря) проводять  для видалення СО₂ карбонатів і сірки (у вигляді SО₂). Мета відновлювального випалення (нагрів руди у відновлювальній атмосфері) полягає в перетворенні слабомагнітного оксиду Fе₂О₃ в сильно магнітний Fe₃O₄ по реакції Fе₂О₃+СО(Н₂)=Fе₃О₄+СО₂(Н₂О).

Усереднення полягає у  перемішуванні великої маси рудного  матеріалу для отримання постійного вмісту заліза.

Одержані після збагачення руд тонкоподрібнені концентрати (<0,1 мм) не можна використовувати в доменній печі, оскільки вони не забезпечують високої газопроникненості шихти. Перетворення дрібних частинок рудних концентратів і деяких інших матеріалів в крупніші куски складає основну мету процесів окускування. Агломерація - це термічний спосіб окускування дрібних матеріалів для поліпшення їх металургійних властивостей, що здійснюється шляхом спалювання дрібного палива в шарі матеріалу за рахунок безперервного проходження повітря. Способом окускування тонкоподрібнених концентратів (<0,1 мм) є отримання обкотишів (кульок діаметром 15-20 мм).

Технологія виробництва  залізорудних обкотишів складається  із двох стадій:  
1) отримання сирих обкотишів з концентрату; 2) зміцнюючого випалення.

 

 

2. Технології сухого очищення доменного газу

Доменне виробництво має  великий вплив забруднення навколишнього  середовища, так як при виробництві  чавуну утворюється велика кількість  газових викидів та відходів. Особливу цінність має доменний газ, враховуючи це доцільним і актуальним є його подальше використання, в результаті чого відбувається поліпшення екологічної  обстановки на підприємствах.  Але для того щоб подальше використання доменного газу стало можливим необхідно відділити від нього колошниковий пил, який також має високу сировинну цінність і може використовуватися у виробництві.

У зв’язку з великим вмістом в доменному газі (ДГ) СО (до 32%) його повсюдно використовують як паливо. Кількість хімічного тепла ДГ у загальному балансі вторинних енергоресурсів на багатьох підприємствах досягає 80%. Крім хімічного тепла, фізичне тепло ДГ може скласти в загальному балансі 2–3% .

В даний час для очищення ДГ як джерела ВЕР застосовують мокрі  газоочистки з допомогою труб  Вентурі, мокрих скруберів, дезінтеграторів. На жаль, мокра газоочистка знижує ефективність застосування ДГ як джерела ВЕР. За рахунок насичення газу водяними парами його теплота згоряння знижується на 25–30%; фізичне тепло повністю втрачається з водяними парами; застосування газової утилізаційної безкомпресорної турбіни (ГУБТ) через наявність водяної пари і низької ефективності очищення газів від пилу дуже проблематично. У зв’язку з цим актуальним є питання переводу доменних печей з мокрої газоочистки на суху.

Перші результати роботи газоочисток  підтвердили високу економічну та екологічну ефективність використання сухого способу  очищення ДГ. Сухе очищення дозволить: