| Газы | Содержание пыли в газах, г/м3 (норм.) | Содержание газовых примесей, г/м3 (норм.) |
| Трубчатых печей первой стадии обезвоживания карналлита | до 5 | до 1,5 HCl |
| Хлораторов второй стадии обезвоживания карналлита | 1 | 50 HCl, <40 CO2, 50–70 Cl2 |
| Печей КС для обезвоживания карналлита (после циклонов) | 3–5 | 50–70 HCl |
| Катодных отсосов электролизеров | – | 3–5 HCl |
Обычно пыль магниевого производства сильно гигроскопична и сыпуча только в сухом виде при температуре выше 100° С.
Во всех газах, кроме трубчатых печей первой стадии обезвоживания карналлита, значительную часть пыли представляют возгоны. Для улавливания пыли, уносимой из трубчатых печей (первой стадии обезвоживания карналлита), применяют последовательно пылевую камеру и батарейный циклон. К.п.д. очистки в последнем составляет около 70 %.
Уже в самой конструкции печи КС предусмотрена последовательная установка двух групп циклонов разного диаметра.
Так как газы магниевого производства загрязнены хлористым водородом, их перед выбросом в атмосферу очищают.
На некоторых заводах газы, содержащие хлор, вначале подают в трубчатые печи или в печи КС, где под влиянием SO2, влаги и высокой температуры значительная часть Сl2 восстанавливается до HCl. После этого газы промывают водой или известковым молоком в скрубберах. При водной промывке получают слабую соляную кислоту, которую нейтрализуют известковым молоком. Вся аппаратура мокрой очистки газов, включая газоходы, вентиляторы, дымовую трубу и другие устройства, даже в случае применения известкового молока должна быть защищена от коррозии.
Газы, получаемые от карналлитовых хлораторов и содержащие относительно большие количества HCl и Cl2, обычно подвергают двухступенчатой очистке (рис. 13.6): вначале в скрубберах промывают водой с получением 10–18 %-ной соляной кислоты, а потом в скоростных скрубберах известковым молоком очищают от хлора. Для лучшей очистки устанавливают последовательно два скоростных безнасадочных скруббера.
Рис. 13.6. Схемa очистки газов от HCl и Cl2 в магниевом производстве: 1, 2 – скрубберы для улавливания HCl; 3, 4 – скоростные скрубберы для улавливания Cl2: 5–8 – сборники; 9–12 – насосы; 13–16 – циклоны-брызгоуловители
Газы катодных отсосов, содержащие в основном хлор, очищают в таких же двух последовательно установленных скоростных скрубберах, орошаемых известковым молоком. Получаемую слабую соляную кислоту используют для собственных нужд или нейтрализуют известковым молоком.
Для хорошего улавливания хлора необходимо обеспечить в скоростных скрубберах большую плотность орошения – не менее 45–50 м3/(м2*ч) и постоянное наличие в орошающей циркулирующей пульпе не менее 10 г/дм3 свободной окиси кальция.
При улавливания хлора известковым молоком получают СаСl2 и Са(ОСl)2, а также небольшое количество Са(СlO3)2. Такую гипохлоритсодержащую пульпу используют для очистки фекальных сточных вод, сточных вод бумажных и целлюлозных заводов и обогатительных фабрик. Когда нет потребности в таком гипохлоритсодержащем отходе, перед сбросом в отвал гипохлорит нужно разложить нагревом до 80–90° С в присутствии катализаторов – солей никеля, меди, железа (катализатор регенерируют).
ЛЕКЦИЯ № 14. ПРОИЗВОДСТВО ТУГОПЛАВКИХ И РЕДКИХ МЕТАЛЛОВ
Германий и индий
При термической обработке руд германий в значительной степени переходит в газовую фазу, а при понижении температуры газа конденсируется в виде двуокиси в основном на более мелких частицах пыли. Аналогичное явление наблюдается при сжигании углей, содержащих германий. В этом случае он в основном находится на более мелких частицах летучей золы. Поэтому при пылеулавливании желательно отделить крупные фракции от мелких, обогащенных германием, а последние уловить возможно полнее. Для этого газы, в которых имеются пыль и германий (в виде GeO2), пропускают вначале через пылевую камеру или циклон для улавливания грубой пыли, потом охлаждают в кулерах и направляют в рукавный фильтр, где достаточно полно улавливают мелкие фракции пыли, обогащенные германием.
Для первичного получения пыли, обогащенной индием, применяют аналогичную схему.
Рукавные фильтры успешно применяют и для аэрозолей, получаемых при повторной пирометаллургической переработке первичной пыли, т.е. для улавливания пыли с повышенной концентрацией германия или индия.
Рений
При обжиге сульфидного молибденового концентрата, а также некоторых медных продуктов, содержащих рений, последний при некоторых условиях переходит в газовую фазу и находится в ней в виде семиокиси Re2O7. Часто одновременно в газе находится и SO3.
При охлаждении газов Re2O7 и SO3 реагируют с парами Н2О, образуется туман, улавливаемый в мокрых электрофильтрах. Обычно схема этого процесса следующая. Газы, выходящие из печи с температурой выше 300–400° С, пропускают через циклоны или сухие электрофильтры, в которых отделяется механически унесенная пыль; после этого газы проходят через промыватель (скруббер или барботер), где охлаждаются до температуры 30–50° С и далее направляются в мокрые электрофильтры.
Чем выше температура газа в циклоне и электрофильтре и чем меньше газ охлаждается в нем, тем меньше содержание рения в пыли, уловленной в этих аппаратах.
В промывателе улавливается часть рения и H2SO4. Окончательно смесь этих компонентов улавливают в электрофильтрах. Таким образом, рений в виде раствора рениевой кислоты получается в смеси c серной кислотой. В этой жидкости содержится и пыль, которая не была уловлена в циклоне или сухом электрофильтре, содержащая молибден или медь. Жидкость эту используют для извлечения рения.
Селен
При пирометаллургической переработке шламов медь-электролитного производства (при обжиге без соды), а также при обжиге сульфидных селенсодержащих руд (медных или пиритных) селен в значительной степени переходит в газовую фазу в виде SeO2. Часть его при реакции с SO2 превращается в элементный селен:
SeO2+2SO2=Se+2SO3
Поэтому в аэрозоле после его охлаждения обычно находятся в виде тумана капельки Н2SеО3; Н2SO4 и твердые частицы Se. Для улавливания селена применяют следующую схему.
Горячие газы пропускают через пылевые камеры (при переработке шлама) или через горячие электрофильтры (при обжиге пиритных и медных концентратов), промывают (охлаждают в аппаратах скрубберного типа) и направляют для полного улавливания селена и его двуокиси (селенистой кислоты) в мокрый электрофильтр. Для лучшего улавливания двуокиси селена следует снизить температуру <30° С, так как даже при этой температуре упругость паров двуокиси значительная. Полное улавливание Se и SeО2 желательно не только для повышения степени извлечения, но и для удовлетворения санитарных требований, так как эти вещества очень вредны, для них характерен неприятный запах, и загрязнение ими воздуха недопустимо. Полученный шлам, содержащий селеновую кислоту и элементный селен, используют для получения селена.
Очистка газов, получаемых при хлорировании титансодержащего и редкоземельного сырья
Для вскрытия этого сырья наиболее часто применяют хлорирование элементным хлором при температуре 700–900° С. При этом обычно получают относительно небольшие объемы газа со значительным содержанием хлоридов Ti, Fe, Al, Nb, Та, редких земель (если они имеются в сырье), Si, К, Na, Mg, Са, V. Эти хлориды конденсируются при различных температурах в зависимости от свойства и концентрации и дают высокодисперсную пыль.
Обычно первыми по мере охлаждения газов конденсируются хлориды редкоземельных металлов и Nb, Та, Са, Mg, К, Nа, потом хлориды Fe, Al, Ti, Cu, V и последним SiCl4. Так как желательно по возможности разделить эти хлориды, то в схему обычно входит ряд аппаратов, в которых осуществляют фракционное охлаждение и отделение соответствующих хлоридов. Рассмотрим одну из основных схем (рис. 14.1).
Рис. 14.1. Схема конденсационной системы при хлорировании
Газы, полученные в хлораторе (1), пропускают через полые башни (пылевые камеры) (2) или трубчатые холодильники (кулеры) (3), где они охлаждаются примерно до 120–180° С. Далее их направляют в специальный герметичный рукавный фильтр (4) с тканью из стеклянного волокна, потом промывают в двух оросительных безнасадочных конденсаторах (скрубберах) (5), орошаемых холодным тетрахлоридом титана из холодильников (6). После этого газы направляют на очистку в скруббер, орошаемый известковым молоком. В пылевых камерах и кулере газы охлаждаются. При этом конденсируются все хлориды, кроме TiCl4, VOCl3 и SiCl4.
Так как образующийся аэрозоль содержит в большом количестве высокодисперсные частицы (обычно более 100 г/м3 (норм.)) и они интенсивно коагулируют, то около 50 % сконденсированных хлоридов, а также механически унесенную пыль улавливают в пылевых камерах и в кулерах. Остальная их часть улавливается в рукавном фильтре. TiCl4 и VOCl3 улавливаются холодным четыреххлористым титаном в оросительных конденсаторах. Циркулирующий жидкий четыреххлористый титан, подаваемый на орошение первого двухходового конденсатора, охлаждается холодной водой в холодильнике типа “труба в трубе”, а подаваемый на орошение второго двухходового конденсатора (в таком же холодильнике) охлаждается холодным раствором, который получают на специальной холодильной установке. Газ охлаждается в этой системе до температуры от -5 до -10° С. При этом основная масса TiCl4 конденсируется и превращается в продукт. После этого газы в хвостовом скруббере промываются известковым молоком и освобождаются от остатков TiCl4, HC1 и Сl2.
Примерно по такой же схеме очищают газы при хлорировании сырья, содержащего ниобий и тантал. Эти металлы концентрируются в пылях, улавливаемых в пылевых камерах, кулере и рукавном фильтре.
Для промывки газов применяют скрубберы с насадкой, но при этом встречаются большие трудности вследствие ее забивания. Поэтому в последние годы успешно применяют безнасадочные скоростные скрубберы.
В некоторых случаях паро-газовую смесь промывают расплавом хлоридов Fe, А1, К, Na, при этом улавливаются хлориды Fe, А1, К, Na, Ca, Mg, Mn. Процесс осуществляют в барботажном или скрубберном аппарате при температуре около 250° С.
Производство молибдена и вольфрама
Молибден
Вскрытие сырья обычно заключается в обжиге сульфидного материала. При этом получаются обжиговые газы, содержащие возгоны трехокиси молибдена, молибденсодержащую пыль (недообожженный материал), окислы рения и сернистый ангидрид.
Улавливание молибденсодержащей пыли обычно осуществляется в циклонах, а возгоны улавливаются в сухих электрофильтрах. Как было описано ранее, остатки возгонов молибдена и окислов рения улавливаются в мокрых электрофильтрах.
Газы часто от сернистого ангидрида не очищаются ввиду небольших масштабов производства и малых концентраций. При больших масштабах целесообразно применять очистку и утилизацию SО2 описанными выше методами, ориентируясь на местные условия и целесообразность применения того или иного варианта.
При гидрометаллургических переделах основной вредной составляющей, уносимой газами, является аммиак. Его можно улавливать, промывая газы водой (лучше с какой-либо кислой добавкой).
Вольфрам
Основным пылеобразующим процессом в производстве вольфрама является спекание сырья с известью или содой, например во вращающейся печи. Для улавливания пыли, уносимой газами из печи, применяют батарейные циклоны. Уловленный материал возвращается на приготовление шихты для обжига.
Производство ниобия и тантала
Вскрытие сырья обычно осуществляют при помощи азотной или плавиковой кислоты и в некоторых случаях хлорированием элементным хлором. Хлорирование для этих металлов является побочным процессом при хлорировании титансодержащего сырья (см. выше).
При применении для вскрытия сырья плавиковой кислоты с газами уносится часть HF, SiF4 и H2SiF6; их улавливают обычно при помощи подщелоченной воды.
При вскрытии сырья крепкой азотной кислотой в газы выделяется значительное количество окислов азота. Обычно эта операция носит периодический характер, но окислы азота выделяются в высококонцентрированном виде и их обязательно нужно улавливать, так как они являются вредными для людей, природы, сооружений, зданий и т.п. При высокой концентрации окислов азота их можно использовать для получения азотной кислоты, но это несколько затруднено вследствие значительной периодичности поступления газов. Последнее обстоятельство осложняет применение и других способов улавливания окислов азота. Иногда для улавливания окислов азота применяют промывку газов щелочными растворами. В целях осуществления рассмотренных процессов применяют наиболее часто аппараты скрубберного типа.
Производство циркония
При хлорировании цирконийсодержащего сырья пылеулавливание и очистка газов в значительной степени аналогичны этим процессам при производстве титана. Газы, полученные в процессе хлорирования, содержат хлориды металлов, в том числе циркония, титана, кремния. Заметим, что хлориды циркония конденсируются в твердую фазу при температурах порядка 200–330° С (в зависимости от упругости паров ZrCl4). Поэтому схема обработки газов, получаемых при хлорировании, обычно такова: газы из хлоратора проходят циклон при температуре выше 330° С, далее охлаждаются примерно до 150–200° С и пропускаются через рукавные фильтры.
В этих фильтрах применяют ткань из стекловолокна или синтетических волокон (типа оксалона или сульфона). В фильтре специальной конструкции предусмотрен обогрев стенок таким образом, чтобы газ в фильтре не охлаждался, а нагревался примерно на 20° С. Газы после рукавных фильтров, в которых улавливается основная часть продукта (ZrCl4), направляются в мокрую систему для улавливания TiCl4 холодным жидким тетрахлоридом титана и далее в скруббер, орошаемый какой-либо щелочной жидкостью (известковым молоком, содой и т. д.), для улавливания SiCl4. Можно организовать использование SiCl4 (сжигать его до получения SiO2 и НСl), но это усложняет технологическую схему и поэтому применяется редко.
В перечисленных производствах тугоплавких металлов при гидрометаллургических переделах некоторые газовые компоненты (NH3; SO2 и др.) в виде выбросов попадают в окружающую атмосферу.
Мощность этих производств, а, следовательно, и объемы образующихся газов значительно меньше по сравнению с производством меди, цинка, никеля, свинца, алюминия. Для многих производств единая технология еще окончательно не установлена. Поэтому и единой схемы очистки этих газов пока нет. В каждом конкретном случае приходится подбирать метод очистки и аппаратуру с учетом специфики процесса, состава и количества очищаемых газов, возможности получения и сбыта или утилизации получаемых при очистке газов продуктов, допустимости применения того или иного реагента и т. д.
РАЗДЕЛ 4. Безотходные технологии в цветной металлургии
ЛЕКЦИЯ № 15. ТЕХНОЛОГИИ ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ
Черная металлургия
«На ПЧМ сталь производится по одному из трех технологических циклов:
1) коксовая печь – доменная печь – мартеновская печь;
2) коксовая печь – доменная печь – кислородный конвертор;
3) лом + окатыши – электрическая печь» [5].
«Все ведущие страны уже отказались от мартеновского способа производства стали. Основным способом стал второй технологический цикл. Это объясняется тем, что производительность конверторов в 10 раз выше производительности мартеновских печей, а расход энергоресурсов на 1 т стали в конверторах в 3,3 раза меньше, чем в мартеновских печах. В РФ мартеновским способом выплавляется около 50 % стали, поэтому одним из генеральных направлений по экономии энергоресурсов на ПЧМ является переход от мартеновского к конверторному способу производства стали. Следующий важный шаг к экономии энергоресурсов на ПЧМ – развитие сети мини-заводов, которые включают только электросталеплавильное и прокатное производства и работают на металлическом ломе или окатышах. Это позволяет отказаться от коксохимического и доменного производств, которые потребляют 40–50 % энергоресурсов ПЧМ. Третьим шагом по экономии энергоресурсов на ПЧМ может стать переход к непрерывной разливке стали и отказ от прокатных станов, которые потребляют до 30 % энергоресурсов ПЧМ. В РФ на установках непрерывной разливки стали производится только 17 % продукции, а в США, Японии, Франции и других странах – до 94 %» [5].
«Кроме указанных выше путей экономии энергоресурсов, которые связаны с большими капитальными затратами на перевооружение ПЧМ, имеются мероприятия, не требующие больших затрат. Рассмотрим их для конкретных производств ПЧМ» [5].
Производство агломерата
«Увеличение высоты слоя шихты до 500 мм и ее комбинированный нагрев позволяют экономить до 12 % топлива. Дополнительный нагрев верхнего слоя шихты воздухом или продуктами сгорания от дополнительно установленных горелок до 620–950о С снижает расход коксовой мелочи на 12 кг/т агломерата, а также ее выход на 3–5 %. Накатывание топлива и извести на комки шихты дает снижение расхода топлива на 10 %. Автоматизация работы агломашины обеспечивает постоянное качество агломерата, оптимальный режим агломерации и снижение расхода топлива на 6–8 кг/т агломерата. Около 35 % тепла, необходимого в процессе агломерации, выбрасывается в окружающую среду с охлаждающим воздухом и теплом агломерата. Эффективным мероприятием в этой связи является подогрев шихты воздухом, отходящим от охладителя агломерата, и замена холодного воздуха горения в горне на нагретый. Большое внимание должно уделяться комбинированному нагреву шихты с использованием теплоты внешнего источника. Высокотемпературный нагрев шихты можно осуществить просасыванием через нее горячих нейтральных или слабовосстановительных газов (доменного газа, продуктов сжигания нефти и т.д.).» [5].
Производство окатышей
«Сжигание природного газа в слое шихты дает снижение расхода топлива на 11 %. Ввод в шихту твердого топлива – антрацитового штыба – сокращает расход природного газа на 18 %. Увеличение высоты слоя окатышей с 250 до 500 мм повышает производительность на 50 % и снижает расход топлива на 5 %. Увеличение доли высокотемпературного воздуха (800–900о С), используемого для горения, на 12–15 % путем реконструкции переточной системы сокращает расход природного газа на 8–10 %. Оптимизация тепловых режимов путем рационального распределения тепловых и газовых нагрузок по зонам в соответствии с качеством железорудного сырья и требованиями технологии позволяет сэкономить 10–12 % топлива» [5].
Коксохимическое производство
«Термическая подготовка угольной шихты. Угольная шихта предварительно нагревается до 150–200о С. Для нагрева следует шире использовать отходящие газы установок сухого тушения кокса или раскаленный кокс, выдаваемый из коксовых печей. Термоподготовка шихты позволяет увеличить производительность коксовых батарей и снизить расходы тепловой энергии. Автоматизация системы управления процессом горения топлива при отоплении коксовых печей дает экономию 42 МДж теплоты на 1 т кокса. Более широкое применение установок сухого тушения кокса и получаемой при этом теплоты для производства пара энергетических параметров. Использование теплоты отходящих от батарей дымовых газов для нагрева воды, отопления и других коммунально-бытовых целей» [5].
Доменное производство
Один из основных видов топлива в доменном производстве – дорогостоящий кокс. Ниже приведены мероприятия, с помощью которых можно снизить расходы кокса (кг/т):
Повышение содержания железа в шихте . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9–34
Вывод сырого флюса из доменной шихты . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9–11
Снижение:
содержания золы и серы в коксе . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 3–9
доли литейного чугуна и ферросплавов в общей выплавке . . 8–16
Улучшение:
качества железорудных материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12–20
физико-технических характеристик кокса . . . . . . . . . . . . . . . . . 5–8
Повышение давления газа на колошнике доменной печи . . . . . . 4–10
Применение природного газа и мазута в сочетании с дутьем,
обогащенным кислородом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20–34
Повышение нагрева дутья . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7–18
Вдувание измельченного твердого топлива . . . . . . . . . .. . . . . . . . 6–15
Применение:металлизированного сырья . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4–13
горячих восстановительных газов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ……………15
Конверторное производство
«Использование конверторного газа. Эффективное использование котлов-охладителей конверторных газов позволяет вырабатывать пар давлением до 4,5 МПа в количестве 0,25 т на 1 т стали, который может расходоваться для производственных нужд и привода турбин компрессоров. Применение непрерывного литья заготовок после конверторов дает сокращение расхода топлива на 30–40 кг и электроэнергии на 20–25 кВт∙ч на 1 т стали» [5].
Прокатное и трубное производства
«Повышение температуры слитков, подаваемых в нагревательные колодцы, до 800–830о С и увеличение доли горячего посада до 90–98 % сокращают расход топлива на 4–5 кг/т проката. Подача горячего металла в методические печи транзитом от обжимных заготовочных станов уменьшает расход топлива на 15–60 % относительно расхода при холодном посаде. До 15–20 % теплоты, подаваемой в печь с топливом, отводится системой охлаждения конструктивных элементов печи. Около 90 % теплоты, воспринимаемой охлаждаемыми элементами печи, приходится на долю подовых труб (балок). Применение испарительного охлаждения позволяет практически полностью утилизировать эту теплоту. Количество теплоты, воспринимаемой подовыми трубами, может быть сокращено за счет их термоизоляции и уменьшения площади обогреваемой поверхности. Достичь этого можно увеличением шага между трубами. При оптимальном уменьшении площади поверхности подовых труб снижение удельного расхода топлива на нагрев металла достигает 10 %. Термоизоляция подовых труб, выполняемая из огнеупорных волокнистых материалов, позволяет сократить расход топлива на 18–25 % и повысить производительность печи на 15 %.» [5].
«Температура отходящих газов нагревательных печей достигает
900–1000о С, причем 40–60 % теплоты, выделяемой при сгорании топлива, отводится с продуктами сгорания. Для утилизации этой теплоты следует применять нагрев отходящими газами подводимого воздуха для сжигания топлива, нагрев газового топлива, предварительный нагрев металла, загружаемого в печь. При подогреве металла отходящими газами расход топлива может быть сокращен на 15 %. Нагрев воздуха подаваемого в печь, отходящими газами на 100о С дает экономию топлива 4–5 кг/т проката. Оптимизация работы печей с использованием автоматики позволяет снизить расход топлива на 15–20 кг/т. Внедрение технологии нагрева слитков в нагревательных колодцах слябингов с отоплением из центра пода с импульсной подачей топлива сокращает расход топлива на 13–16 %. Установка теплообменников для утилизации тепла на выходе из радиантных труб повышает степень использования топлива на 25–30 %. Применение рекуператоров для использования теплоты после колпаковых печей снижает расход топлива на 16–20 %. Физическая теплота отходящих газов нагревательных печей и колодцев должна использоваться для выработки пара в котлах-утилизаторах» [5].
Огнеупорное производство
«Замена печей устаревших конструкций (кольцевых, газокамерных, периодических) современными противоточно-рекуперативными обжиговыми агрегатами (туннельными, вращающимися, шахтными печами) позволяет сократить расход топлива с 370 до 240 кг/т. Совершенствование горелочных устройств печей уменьшает расход топлива на
5–10 %. Применение кислорода при сжигании топлива во вращающихся печах снижает расход топлива на 30–35 %. Использование отходящих газов для подогрева кусковых материалов дает снижение расходов топлива на 10–20 %. Утилизация теплоты в котлах-утилизаторах и водяных экономайзерах уменьшает расход топлива на 10–30 %» [5].
Цветная металлургия
«В свинцовом и медно-цинковом производстве применение кивцетной плавки приводит к снижению удельных расходов топлива на 20–50 %. При внедрении автогенной плавки медно-никелевого сырья в агрегате непрерывного действия удельный расход электроэнергии снижается более чем в 2 раза. Бездиафрагменные электролизеры уменьшают удельный расход электроэнергии при получении магния на 8–10 %, а закрытые РТП (с оптимизацией режимов плавки в ней) – на 5–7 %. Для снижения расходов органического топлива целесообразно повысить долю плавки в электропечах взамен плавки в шахтных и отражательных печах, на которые в настоящее время приходится соответственно 15–25 и 40–50 % общего производства. В производстве алюминия переход на электролизеры с обожженными анодами обеспечивает снижение удельного расхода электроэнергии на 5–7 %» [5].
«Один из крупных потребителей тепловой энергии в цветной металлургии – производство глинозема. Для снижения расхода энергоресурсов в этом производстве рекомендуются следующие мероприятия: перевод печей спекания и кальцинирования на сжигание природного газа, внедрение рекуперативных холодильников (циклонного или “кипящего” слоя), повышение степени регенерации тепловой энергии в автоплавильных установках выщелачивания и обескремнивания, увеличение кратности использования пара в выпарных батареях, внедрение водоподогревателей контактного типа. Выполнение этих мероприятий позволит снизить удельные расходы топлива на 20–25 % и тепловой энергии в 1,5–2 раза» [5].
«До 10 % расходов энергоресурсов можно снизить за счет автоматизации технологических процессов с помощью ЭВМ и УВМ» [5].
Ниже приведены средние удельные расходы электроэнергии (кВт×ч/т) на некоторые виды продукции предприятий цветной металлургии:
Медь черновая . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 760
Медь рафинированная . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
Никель электролитный . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3500–6400
Никель огневой . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17200
Цинк электролизный . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3700–4300
Свинец . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500
Глинозем . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 700
Алюминий сырец . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17200
Алюминий высокой чистоты .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20000
Электролиз:
магния . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17000
меди . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3000
марганца . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8000
натрия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15000
лития . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66000
кальция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5000
Рафинирование:
свинца . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
золота . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
серебра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500
олова . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
Основные направления и перспективы создания экологически чистых технологий и производств в цветной металлургии
Исключительное значение, придаваемое защите атмосферы от вредных выбросов, повлекло проведение разработок в цветной металлургии новых технологических процессов, обеспечивающих минимальное образование пыли и газов с возможностью их эффективного улавливания и использования для производства ценных продуктов.
Выше были приведены данные по замене отражательной плавки в медеплавильной промышленности плавкой во взвешенном состоянии на подогретом воздушном или кислородном дутье.
Аналогично совершенствуются технологические процессы в свинцово-цинковой промышленности (процесс Кивцэт), алюминиевой и др.
В разработках новых систем и конструкций высокоэффективных пыле- и газоулавливающих аппаратов в последние годы наметились следующие основные направления:
1. Преимущественное оснащение металлургических агрегатов аппаратами тонкого пылеулавливания, обеспечивающими возможно низкое содержание пыли в удаляемых в атмосферу технологических и вентиляционных газах.
2. Расширение диапазона температур очищаемых газов и увеличение концентрации в них пыли и сернистого ангидрида. В настоящее время доказана возможность эффективной очистки газов в электрофильтрах при температуре 600–700° С и более. Для тканевых фильтров температурный диапазон, равный 200–250° С, является установившимся. Разработаны и эксплуатируются циклонные пылеуловители для очистки газов при температуре 900–1000° С.
3. Укрупнение и совершенствование пылеулавливающих аппаратов: электрофильтров, тканевых фильтров, мокрых пылеуловителей. Увеличение объема очи-щаемых технологических и вентиляционных газов на предприятиях привело к необходимости значительного увеличения производительности отдельных пылеулавливающих аппаратов. Этого достигали в электрофильтрах увеличением высоты осадительных электродов от 4,5 до 7,5 и даже 12 м, в тканевых фильтрах – увеличением поверхности фильтрации до 10 тыс. м2 в одном аппарате. Электрофильтры усовершенствуют путем улучшенной формы осадительных и коронирующих электродов, механизмов встряхивания; тканевые фильтры – изменением методов регенерации, применением более термо- и кислотостойких фильтровальных тканей; мокрые пылеуловители – снижением непроизводительных потерь гидравлического сопротивления, уменьшением каплеуноса, повышением коррозионной стойкости конструктивных элементов.
4. Организация селективного пылеулавливания. Для более полного извлечения из пылей цветных и редких металлов целесообразно селективное их пылеулавливание, т. е. поэтапная очистка газов. Температура газов на каждом этапе соответствует преимущественной точке конденсации того или иного компонента пыли, находящегося в виде паров. Преимущественная конденсация данного компонента на этом этапе позволяет получить обогащенную им уловленную пыль.
ЛЕКЦИЯ № 16. ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ И ОЦЕНКА БЕЗОТХОДНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА
Выбор энергоносителей для конкретных технологических процессов имеет большое народнохозяйственное значение, так как от вида используемых энергоносителей зависят: технико-экономические показатели предприятий; технологические схемы и их инженерное оформление; размещение производственных мощностей предприятий по экономическим регионам страны; структура ЭБ регионов и страны в целом и перспективная потребность их в различных видах топлива и энергии; экология.
Ниже рассматривается выбор энергоносителей применительно к отдельным видам энергетических процессов.
Высокотемпературные процессы
Они являются самыми крупными потребителями энергетических ресурсов. Энергоносителями для проведения большинства высокотемпературных процессов может быть топливо (газообразное, жидкое) или электрическая энергия. Для термохимических высокотемпературных процессов, где требуется температура выше 1800–2000o С, как правило, целесообразно использовать электрическую энергию. К таким процессам относятся производства молибдена, вольфрама, кремния, карбида кальция, ферросилиция и др.
Энергоносителями, которые являются пригодными для остальных термохимических и термических высокотемпературных процессов могут быть:
1. Получение высокого пирометрического эффекта. Такому условию удовлетворяют электроэнергия (более 2000о С); природный газ и мазут (1800–1850о С). Низкокалорийные искусственные газы (доменный, коксовый и пр.) обеспечивают необходимые температуры при специальном подогреве воздуха.
2. Получение светящегося пламени при сжигании топлива. В нагревательных и плавильных печах до 80–90 % тепла передается металлу лучеиспусканием. Поэтому наряду с температурой горения существенное влияние оказывает степень светимости продуктов сгорания. Наиболее высокой светимостью обладают продукты сгорания мазута. Если светимость недостаточна (например, при использовании доменного газа), то в топливо вносят добавки (смолы и др.) для ее повышения.
3. Благоприятный химический состав используемого топлива. Содержание в топливе серы и ее соединений ведет к повышению потерь нагреваемого металла с окалиной и увеличению расхода топлива. При наличии в дымовых газах SO2 необходимо повышать температуру уходящих газов, чтобы избежать конденсации паров SO2 и коррозии аппаратов газового тракта.
По составу продуктов сгорания природный газ является наиболее подходящим топливом. Мазут может быть использован при содержании в нем серы не более 0,5 %. Искусственные газы часто содержат частички золы, угля, сажи, смоляные и водяные пары и требуют предварительной очистки. В топливе могут содержаться компоненты, опасные для эксплуатационного персонала. Особенно опасны природный, коксовый, доменный и генераторный газы. Поэтому большое значение следует уделять герметизации печей, отводу продуктов сгорания, улучшению приточно-вытяжной вентиляции. Таким образом, по условиям технологической пригодности для рассматриваемых процессов можно использовать природный газ, искусственные газы, малосернистый мазут и электроэнергию.
Для выбора оптимального вида энергоносителя применительно к данному технологическому процессу сравниваемые варианты должны быть приведены в сопоставляемый вид. Для рассматриваемых технологических процессов условия сопоставления следующие.
1. Одинаковое качество продукции. Если по условиям технологического процесса при данном энергоносителе невозможно достичь такого же качества продукции, как при другом энергоносителе, то необходимо учитывать дополнительные затраты на доведение качества продукции до одинакового уровня или ущерб от снижения качественных показателей продукции. Например, увеличение окалины приводит к потере металла вследствие угара и увеличению припусков на последующую механическую обработку.
2. Одинаковая производительность агрегатов. Равенство часовой производительности агрегатов должно быть обеспечено, если нагревательная установка является одним из элементов единого непрерывного технологического процесса. Если нагревательные установки работают автономно, то условием сравнения можно считать равенство суточной (месячной, квартальной или годовой) производительности.
3. Для варианта с использованием электроэнергии необходимые электрические мощности и годовой расход электроэнергии должны быть приняты такими, чтобы с учетом расходов на собственные нужды электростанций и потерь в электрической сети обеспечить необходимую производительность рассматриваемых технологических агрегатов.
4. Для вариантов с использованием малосернистого мазута, природного газа, искусственного газа их количество должно быть выбрано таким, чтобы с учетом КПД процесса обеспечить необходимую производительность технологических агрегатов.
5. Должна быть обеспечена одинаковая надежность энергоснабжения.
6. Каждый вариант установки должен быть технически и технологически совершенным.
7. Сравнение вариантов нагрева следует вести применительно к конкретному типу производства (единичное, серийное, массовое).
8. Сравнение должно производиться с учетом затрат в те элементы энергетической цепи, на которые влияет выбор того или иного энергоносителя.
9. Капитальные затраты должны исчисляться (или приводиться) в ценах одних и тех же лет.
10. Должны быть обеспечены безопасность труда и защита окружающей среды.
11. При разработке показателей сравниваемых вариантов должно учитываться их изменение во времени.
12. Должно обеспечиваться единообразие методов расчетов отдельных элементов затрат.
Общее выражение для приведенных затрат (тыс. руб./год) по варианту с использованием газа или малосернистого мазута имеет вид
Приведенные затраты (тыс. руб./год) по варианту с использованием электроэнергии могут быть определены по выражению
Разность приведенных затрат (тыс. руб./год) по рассматриваемым вариантам составляет:
В выражениях обозначено 
– отчисления на амортизацию технологической установки при использовании электроэнергии, газа (мазута) и их разность, тыс. руб./год; 
– затраты на текущий ремонт технологического агрегата при использовании электроэнергии, газа (мазута) и их разность, тыс. руб./год; 
– расходы на заработную плату (с начислениями) производственного персонала при использовании электроэнергии, газа или мазута и их разность, тыс. руб./год; 
– замыкающие затраты на топливо (при использовании доменного или коксового газа – приведенные затраты), тыс. руб./год; 
– затраты на вентиляцию и охлаждающую воду при использовании электрической энергии, газа или мазута и их разность, тыс. руб./год; 
– затраты на создание защитной атмосферы при использовании электроэнергии, газа или мазута и их разность, тыс. руб./год; 
– расходы, вызываемые угаром металла при использовании электрической энергии, газа или мазута и их разность, тыс. руб./год; 
– затраты на сырье и их изменение, тыс. руб./год; 
– прочие годовые эксплуатационные расходы при использовании электрической энергии, газа или мазута и их разность (затраты на очистку окалины и штампы при нагреве для обработки под давлением, затраты на обеспечение нормальных санитарно-гигиенических условий, охрану окружающей среды, дополнительные затраты на последующих стадиях обработки и др.), тыс. руб./год; 
– капитальные затраты на технологический агрегат (установку) при использовании электроэнергии, газа или мазута и их разность, тыс. руб.; Eн – нормативный коэффициент эффективности, 1/год.
Применение газового нагрева приводит к повышению энергетического КПД. В варианте газовой печи коэффициент использования первичного топлива равен
.
При использовании электроэнергии
где 
– КПД топливодобычи и транспорта топлива; 
– КПД электрической сети; 
– КПД газовой и электрической печей.
При использовании электроэнергии обеспечиваются благоприятные условия для автоматизации процессов загрузки, нагрева и выгрузки, что имеет большое значение для организации поточного производства и повышения производительности труда; улучшаются санитарно-гигиенические условия труда.
Комплексный учет всех денежных и натуральных показателей и особенностей отдельных предприятий позволяет в каждом отдельном случае обоснованно выбирать наивыгоднейшее решение.
Аналогично термическим высокотемпературным процессам производится выбор энергоносителя при производстве стали (термохимический высокотемпературный процесс). Сталь может производиться мартеновским и кислородно-конверторным способами, а также в дуговых электрических печах. Энергетический КПД при использовании мартеновских печей, работающих на топливе значительно выше, чем у электрической печи:
;
Удельные капитальные затраты при использовании электроэнергии в несколько раз выше, чем при использовании топлива.
Себестоимость 1 т обычной углеродистой стали, полученной в электрической печи, также в несколько раз выше, чем в печи, работающей на топливе. Следовательно, печи, работающие на топливе, по сравнению с электропечами имеют определенные технико-экономические преимущества при выплавке обычной углеродистой стали. Однако использование электропечей позволяет: 1) в 2 раза уменьшить угар металла, что особенно важно при выплавке легированных сталей; 2) значительно сократить длительность плавки, т.е. увеличить производительность; 3) улучшить качество металла; 4) уменьшить производственные площади; 5) улучшить экологическую обстановку.
В ряде случаев целесообразно сочетание использования топлива и электроэнергии на отдельных стадиях технологического процесса. Например, применение ТКГ в дуговых печах позволяет на 8–12 % снизить в них расходы электроэнергии.
Процессы обжига
Для большей части процесса обжига применение электроэнергии менее эффективно, чем применение природного газа. При использовании природного газа обеспечивается высокий КПД обжиговых печей (с учетом тепла отходящих газов для сушки сырья). Использование электрической энергии не дает в данном случае преимущества ни в ускорении процесса, ни в улучшении качества продукции, ни во влиянии на экологию. Исключением является процесс обжига фарфора, когда применение электроэнергии позволяет снизить брак благодаря возможности тонкой регулировки процесса.
Средне- и низкотемпературные процессы
На средне- и низкотемпературные процессы приходится около четверти всего энергопотребления промышленности. Эти процессы могут быть осуществлены за счет пара, горячей воды, электроэнергии или непосредственного сжигания топлива. В большинстве средне- и низкотемпературных процессов электроэнергия применяется как промежуточный энергоноситель для получения тепла и не меняет самого технологического процесса. Поэтому энергетический КПД при использовании электроэнергии ниже в два и более раза, чем при использовании топлива, пара или горячей воды.
По капитальным затратам вариант с использованием электроэнергии обычно в несколько раз дороже, чем с использовании пара. Энергетическая составляющая себестоимости также выше (в 1,5–2,5 раза) при применении электроэнергии.
Следовательно, для средне- и низкотемпературных процессов пар и горячая вода имеют, как правило, существенное экономическое преимущество перед электрической энергией. В этих процессах электрическую энергию экономически целесообразно применять в тех случаях, когда она вносит значительные упрощения в производственный процесс, повышает качество продукции, например, при замене обычной сушки древесины сушкой токами высокой частоты, консервировании фруктов токами высокой частоты, при использовании инфракрасных лучей для сушки покрытых лаками изделий и т.п.
В отдельных случаях имеет смысл использовать электроэнергию для получения сравнительно небольших количеств пара или горячей воды в электрокотлах, используемых в процессах, где они являются не только энергоносителями, но и сырьем, рабочим телом (пропарка, увлажнение, мойка и др.). Электроэнергия может быть использована в районах со значительными запасами гидроэнергии и недостаточными топливными ресурсами.
Силовые процессы
На силовые процессы приходится около четверти всего энергопотребления промышленности и около 80 % всего энергопотребления страны. Основным достоинством использования электроэнергии в силовых процессах является простота и удобство сочетания привода с рабочей машиной, электродвигатель имеет более высокий КПД по сравнению с паровой турбиной, особенно при малых мощностях. В последние годы все большее применение для привода мощных компрессоров находят газовые турбины, а в химической и металлургической промышленности для привода воздуходувок и компрессоров также используются двигатели внутреннего сгорания.
Электрохимические и электрофизические процессы
Данные процессы протекают только при использовании электроэнергии.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
Основная литература
1. Игнатьева, М.Н. Оценка и пути достижения экологической чистоты металлургического производства: учебник / М.Н. Игнатьева, С.В. Карелов, Л.А. Мочалова, Г.Ю. Пахальчак, В.Л. Советкин, Ю.Г. Ярошенко, С.В. Ярушин; под общей ред. Ю.Г. Ярошенко. – Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2008. –391 с.
2. Таранцева, К.Р. Инженерные методы защиты гидросферы: учебное пособие / К.Р. Таранцева. – Пенза: ПГТУ, 2012. -286с.
3. Биотехнологические методы [Электронный ресурс] http://teplozond.ru/ (дата обращения 10.10.2016).
4. Романтеев, Ю.П. Металлургия цинка и кадмия: учебное пособие / Ю.П. Романтеев, А.Н. Федоров, С.В. Быстров. – М.: МИСИС, 2006. -193с.
5. Стафиевская, В.В. Методы и средства энерго- и ресурсосбережения: учебное пособие / В.В. Стафиевская, А.М. Велентеенко, В.А. Фролов. – Красноярск: ИПК СФУ, 2008. -430с.
6. Набойченко, С.С. Процессы и аппараты цветной металлургии: Учебник для вузов / С.С.Набойченко, Н.Г.Агеев, А.П.Дорошкевич и др. – Екатеринбург: УГТУ, 2005. –648 с.
7. Советкин, В.Л. Природоохранные мероприятия в Металлургии / В.Л. Советкин, Ю.Г. Ярошенко, С.В. Карелов. – Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2004. –241 с.
8. Кляйн, С.Э. Экологические проблемы в металлургии. Сточные воды / С.Э. Кляйн, В.В. Воронов, В.И. Аксенов. – Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005. –441 с.
9. Мазур, И.И. Курс инженерной экологии / И.И. Мазур, О.И. Молдаванов – М.: Высшая школа, 1999. –447 с.
10. Карелов, С.В. Очистка выбросов в атмосферу предприятий цветной металлургии: Уч. пособие / С.В. Карелов, В.Л. Советкин, С.В. Мамяченков – Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1999. –106 с.
11. Карелов, С.В. Очистка и утилизация сточных вод предприятий цветной металлургии: Уч. Пособие / С.В. Карелов, В.Л. Советкин, С.В. Мамяченков – Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1999. –104 с.
12. Карелов, С.В. Основы комплексной переработки сырья и вторичных продуктов цветной металлургии: Уч. Пособие / С.В. Карелов, В.Л. Советкин, С.В. Мамяченков – Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1999. –50 с.
13. Лисин, В.С. Ресурсо-экологические проблемы XXI века в металлургии / В.С. Лисин, В.С. Юсфин– М.: Высшая школа, 1998. –447 с.
Дополнительная литература
1. Советкин, В.Л. Контроль и защита атмосферы и гидросферы в металлургии: лабораторный практикум : учебное пособие / В.Л. Советкин, С.В. Карелов, Г.В. Воронов, В.А. Сергеев. – Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2007. –166 с.
2. Порядин, А.Ф.Оценка и регулирование качества окружающей природной среды: Уч. пособие для инженера-эколога / А.Ф. Порядин, А.Д. Хованский– М.: НУМЦ Минприроды России, изд. дом «Прибой», 1996. –350 с.
3. Старк, С.Б. Газоочистные аппараты и установки в металлургическом производстве: Учебник для вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. / С.Б. Старк – М.: Металлургия, 1990. –400 с.
4. Шульц, Л.А. Элементы безотходных технологий в металлургии. Учебник для вузов / Л.А. Шульц – М.: Металлургия, 1991. –219 с.
5. Черепанов, К.Л. Утилизация вторичных материальных ресурсов в металлургии: Уч. пособие для вузов / К.Л. Черепанов, Г.И. Черныш Т.В. Динельт – М.: Металлургия, 1994. –224 с.
6. Колобов, Г.А. Сбор и переработка вторичного сырья цветных металлов: Учебник для вузов / Г.А. Колобов, В.Н. Бредихин, В.М. Чернобаев – М.: Металлургия, 1992. –288 с.
Электронный образовательный ресурс УрФУ
Рогожников Денис Александрович, Шопперт Андрей Андреевич, Корюков Владимир Николаевич
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ЦВЕТНОЙ
МЕТАЛЛУРГИИ
Редактор Н.В.Лутова
Подготовка к публикации Н.В. Лутовой
Рекомендовано Методическим советом
Разрешено к публикаци 21.10.2016
Электронный формат – pdf
Объем 3,5 уч.-изд. л.
620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19
Информационный портал УрФУ
http://urfu.ru
[U1]Рекомендуется установить поля по 2 см с каждой стороны
Номера страниц рекомендуется оформить кеглем 12 пт
Дата: 2019-02-02, просмотров: 526.
