CC BY
24
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
Вип. № 19
2009 р.
УДК 669.054.3
Волошин B.C.1, Хлестова O.A.2
МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯ ОТХОДОВ УГЛЕРОДА В МЕТАЛЛУРГИИ.
Рассмотрены вопросы движения углерода в металлургических переделах. Рассмотрены процессы образования отходов при использовании углеродсодержащего сырья. Представлена модель движения углеродсодержащих компонентов на примере доменного производства.
Современное металлургическое производство использует огромное количество видов и форм природных ресурсов. Разнообразие потребляемых природных ресурсов представлено как шихтовыми материалами всех металлургических переделов, различными видами энергии, затратами воды и воздуха, так и занимаемыми территориями, ресурсами животного и растительного мира [1].
Часть этих ресурсов направляется в отходы, а остальная часть в виде динамических материальных потоков взаимодействует с другими потоками природных ресурсов, преобразуется в полезную продукцию. Снижение уровня образования отходов возможно при анализе структуры ресурсопотоков, и форм воздействия на них при разработке методики управления потоками от-ходообразования.
Настоящая работа посвящена анализу и разработке способов формирования различных видов отходов углерода в металлургии.
Роль углерода в металлургическом производстве невозможно недооценить. Во-первых, углерод является одним из основных горючих компонентов топлива всех металлургических то-пливосжигающих процессов. Во-вторых, углерод является основой сырьевой базы всех переделов металлургического цикла. Так, содержание углерода в чугуне составляет до 4%. Сырьем для производства чугуна и основным поставщиком углерода является кокс. В свою очередь исходным сырьем для коксохимического производства выступает уголь различных сортов. Содержание углерода в каменных углях составляет 78 - 92 %. Отходы добычи и переработки руд природных месторождений, как правило, складируются в отвалы. Углерод присутствует в природном газе, сопутствующих газах металлургических переделов.
При коксовании выход годного компонента находится в пределах 0,75 - 0,8, а содержание углерода в нем находится в пределах 76-91,1 %. Вся остальная часть сырьевого угля относится к неизбежным потерям, которые переходят в газообразные и другие продукты сухой перегонки угля [2].
Каждая единица углерода в чугуне несет с собой до 30 наименований отходов природно-сырьевых ресурсов. В то же время, каждый этап преобразовательного движения углерода от компонента природной экосистемы до элемента готовой потребительской продукции сопровождается затратами природно-сырьевых ресурсов: воздуха, воды, минеральных веществ, территориальной нагрузки, трудовых и энергетических ресурсов.
Более того, вся технологическая цепочки с момента добычи угля до выхода чугуна сопровождается образованием отходов в виде потерь материалов, связанных с особенностями и несовершенством технологии и оборудования.
На крупных металлургических предприятиях около 300 тонн кокса в год теряется на пром-площадках, до 60 тонн - в пути при транспортировке [3]. Основное количество выбросов твердых веществ в доменном производстве образуется при транспортировании шихтовых материалов, расход которых достигает 3 - 5 т на 1 тонну выплавленного чугуна, особенно при их складировании и загрузке. Наибольшее количество пыли выделяется в местах перегрузки сырья. При падении по желобу (вертикальному или наклонному) материал увлекает за собой значительное количество воздуха и, перемешиваясь с ним, образует пылевоздушную смесь. Куски кокса при падении с высоты 2,2 метра могут увлечь до 15 м /т воздуха [4]. В образовавшейся смеси содержание пыли может достигать 500 мг/ м3 воздушного объема. На операциях коксосортировки
ПГТУ. д-р техн. наук, проф.
2ПГТУ, ст. преп.
выбросы пыли составляют до 700 г/т кокса или около 600 г углерода на_тонну кокса. Выгрузка, обработка и хранение в штабелях угля и кокса, а также транспортировка приводят к уносу самых мелких частиц, которые содержатся в материале. Кроме того, газопылевоздушная смесь в зоне рабочих участков создает неудовлетворительные условия работы. Данные, характеризующие концентрацию загрязняющих веществ на различных рабочих местах доменного цеха, полученные в результате литературного обзора приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Удельные выбросы загрязняющих веществ на рабочих местах доменного цеха
Рабочий участок Вещество Концентрация Ед. измерен. В ПДКм р для углеродистых пылей
закрытые склады доменного цеха пыль 1,8-22 мг/м3 До 4
в кабинах кранов склада пыль 1,7-6 мг/м3
выбивание пыли из бункеров запаса пыль 10-20 г/м3 10-200
рабочая зона дробилок пыль 25,7-47,3 мг/м3 4-8
рабочая зона виброгрохота пыль 1000 мг/м3 100-160
рабочая зона горнового СО 431 - 1041 мг/м3 22-25 ПДКм рСО
погрузка пыли на открытые ж/д платформы на расстоянии 5 м от пылеуловителей при отсутствии ветра пыль 250 мг/м3 25-40
Таких или аналогичных операций перед непосредственным поступлением углеродсодер-жащего сырья в доменную печь может быть более десятка. Практический опыт показывает, что появление отходов связано не только с особенностями сырья, но и объясняется чисто организационными процессами производства. Проблема управления потоками отходов производственной деятельности при согласовании с потоками других материалов, составляющих единое целое любого производства, является весьма актуальной задачей не только с позиций экологии, но исходя из условий экономики процессов.
Для описания и анализа локальных ресурсопотоков отходообразования в производственных системах представлен простой по своей наглядности метод графопостроений, который позволяет осуществить логически смысловой поиск путей развития и управления различными видами ресурсов при использовании аппарата аналитических преобразований графов в рамках формализованных экосистем с целью защиты окружающей среды.
:/уО На рис. 1 представлен фрагмент графопострои-
тельной модели движения углеродсодержащих компонентов в металлургическом производстве, принимающих участие в доменном производстве. Морфологическая схема, позволяющая читать такую модель, представлена в таблице 2. На рисунке косой штриховкой специально выделены те части потоков углеродсодержащих материалов, которые не имеют товарной ценности и не используются в схемах ре-циклинга внутри самого производства.
В модели отчетливо видны области накопле-
t/7
о /
ния основных отходов - шлаки, пыль, газы, а также схемы прохождения материалопотоков, ответственных за их переработку. Такая модель позволяет проследить динамику изменения структуры углеродсо-держащего компонента, начиная с угольной шихты до размещения углерода в отходящих газах, пыли, шлаках, готовом продукте. Анализ основных направлений движения в модели компонентов сырьевой базы, содержащих углерод и его соединения, позволяет получить по возможности замкнутые циклы движения этих материалов или их модификации в рамках одного и того же производства.
Рис. 1 - Фрагмент обобщенной модели движения углеродсодержащих компонентов в металлургическом производстве
Таблица 2 - Морфологическая схема фрагмента модели движения углерода в металлургии
Вершины графа Дуги графа
Обозначение Наименование компонента, в котором изменяется содержание углерода Обозначение Наименование функции, которая приводит к изменению содержания углерода в компонентах
1 Железная руда |1,2| Обогащение руды
2 Железорудный концентрат 2,3 Агломерация
2,4 Образование железосодержащих хвостов
2, 5 Пылеобразование
3 Агломерат |3,6| Производство чугуна
|3,33| Образование невозвратной мелочи
|3,7| Пылеобразование
|3,8| Образование отходящих газов
4 Железорудные «хвосты» К,9| Пыление «хвостов»
6 Передельный чугун 6Д2 Шлакообразование при производстве чугуна
|6,13| Пылеобразование при производстве чугуна
6,14 Образование доменных газов
24 Угольная шихта |24,25| Сжигание на ТЭС
|24,26| Спекание кокса
24,27 Местное энергетическое сжигание угля
24,28 Пыление угольной шихты
26 Готовый кокс 26,3 Подача коксика на аглоленту
26,4 Образование «хвостов»
26,6 Подача коксового концентрата в доменную печь
26, 31 Пылеобразование
26,32 Образование коксового газа
27 Собственные энергоресурсы в пересчете на углерод условного топлива - -
33 Агломерационная мелочь 33,2 Возврат мелочи
Анализ реализаций функций преобразования ресурсопотоков в рамках заданных производственных систем, является предпосылкой для прогнозирования и создания перспективных, например, с точки зрения минимизации, ресурсопотоков отходообразования.
Выводы
1. На основе анализа материалопотоков углеродсодержащих компонентов рассмотрена динамика изменения структуры сырьевых материалов, содержащих углерод, которая позволяет проследить поэлементное образование, движение и накопление отходов.
2. Проведенная оценка цикличности производственного процесса позволяет найти варианты развития системы в сторону минимизации отходообразования с последующим управлением использования и переработки отходов.
Перечень ссылок
1. Амелинг Д. Эффективное использование ресурсов - хороший аргумент для стали / Д. Амелинг, Г. Энделъманн II Черные металлы. - 2008. - № 1. - С. 73 - 81.
2. Волошин B.C. Природа отходообразования (в приложении к управлению отходами) / B.C. Волошин. - Маруполь: Рената, 2007. - 666 с.
3. Бешкето В. К. Перевозка без потерь / В. К. Бешкето. - М.: Знание, 1975. - 64 с.
4. Борьба с выбросами пыли из отвалов, складов, шихтовых дворов: обзор / К. Драбина [и др.]. - М.: (Информсталь; Вып. 36 (215), 1984. - 30 с.
Рецензент: В.А. Маслов
д-р техн. наук, проф., ПГТУ
Статья поступила 27.02.2009
