Экология черной металлургии ЕС


№ 2925

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
   «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»


Кафедра энергоэффективных и ресурсосберегающих промышленных технологий


Л.А. Шульц
Г.С. Подгородецкий
К.С. Шатохин





                Экология черной металлургии ЕС





Учебное пособие



Рекомендовано редакционно-издательским советом университета









            МИСиС



                       Москва 2016

УДК 504.06:669.1 Ш95



Рецензент канд. техн. наук, доц. В.А. Муравьев




        Шульц Л.А.

Ш95    Экология черной металлургии ЕС : учеб. пособие /
     Л.А. Шульц, Г.С. Подгородецкий, К.С. Шатохин. - М. : Изд. Дом МИСиС, 2016. - 155 с.

         ISBN 978-5-87623-985-3




          Приведена информация по технологическим и экологическим показателям основных производств черной металлургии стран ЕС. Во взаимосвязи с экологическими проблемами представлены сведения о современных технологиях и оборудовании, использовании ресурсов и переработке отходов. Они включают показатели, которые могут быть достигнуты в наилучших доступных технологиях, содержат сравнительные данные по эффективности различных направлений производства стали, знакомят с современными системами очистки и подавления вредных выбросов.
          Предназначено для студентов МИСиС, обучающихся по направлениям 22.03.02 «Металлургия» и 20.00.00 «Техносферная безопасность и природо-обустройство».


УДК 504.06:669.1














                                        © Л.А. Шульц, Г.С. Подгородецкий,

ISBN 978-5-87623-985-3

К.С. Шатохин, 2016 © НИТУ «МИСиС», 2016

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение..................................................5
1. Общие сведения о производстве стали, использовании ресурсов, ключевых
экологических проблемах и внутренней переработке отходов..8
  1.1. Способы производства стали.........................8
  1.2. Ресурсы и их использование.........................9
  1.3. Ключевые экологические проблемы...................12
  1.4. Внутреннее использование отходов металлургического завода с полным циклом.................................14
2. Специализированные установки для рециклинга отходов с высоким содержанием железа.............................16
  2.1. Печь шахтного типа OxyCup.........................16
  2.2. DK-процесс........................................17
  2.3. Процесс восстановительной плавки..................18
  2.4. Безобжиговые окатыши..............................22
3. Мониторинг и управление окружающей средой..............25
  3.1. Непрерывный мониторинг параметров и выбросов в воздух................................................25
  3.2. Непрерывный мониторинг параметров и выбросов в воздух после фильтров................................25
  3.3. Периодический мониторинг выбросов после систем обеспыливания...................................27
  3.4. Управление водой и сточными водами................28
  3.5. Снижение уровней шума.............................30
  3.6. Системы управления окружающей средой..............30
4. Основные технологические процессы, системы очистки
и технологии подавления вредных выбросов металлургических установок и печей.......................34
  4.1. Агломерационные установки..........................34
    4.1.1. Рукавный фильтр - комбинированное или комплексное снижение выбросов твердых
    и газообразных загрязнителей.........................35
    4.1.2. Утилизация отходящих газов от агломерационной ленты.............................40
    4.1.3. Селективная рециркуляция отходящих газов агломерационной ленты..........................45
  4.2. Установки для получения окатышей..................47

3

    4.2.1. Применяемые процессы и технологии.............48
    4.2.2. Дробление и сушка (обезвоживание).............53
    4.2.3. Проблемы загрязнения воды.....................54
  4.3. Коксовые печи.....................................55
    4.3.1. Утилизация тепла при коксовании...............65
    4.3.2. Сухое тушение кокса...........................67
    4.3.3. Очистка сточных вод...........................67
  4.4. Доменные печи.....................................73
    4.4.1. Применение восстановителей....................75
    4.4.2. Охлаждение и переработка шлаков...............78
    4.4.3. Выбросы доменной печи.........................80
    4.4.4. Сточные воды..................................81
    4.4.5. Остатки производства..........................83
    4.4.6. Примеры использования восстанавливающих агентов .... 88
  4.5. Производство стали в кислородных конвертерах......93
    4.5.1. Внепечная обработка стали.....................97
    4.5.2. Непрерывная разливка..........................98
    4.5.3. Сопутствущие конвертерному производству стали производственные потоки и выбросы вредных веществ....100
    4.5.4. Сточные воды.................................102
    4.5.5. Остатки процесса.............................104
    4.5.6. Эффективность различных систем очистки.......108
    4.5.7. Очистка сточных вод..........................112
    4.5.8. Горячее брикетирование и рециклинг пыли......116
    4.5.9. Использование конвертерного газа.............119
  4.6. Производство стали в электродуговых печах........121
    4.6.1. Выбросы в воздух.............................126
    4.6.2. Сточные воды и остатки производства..........130
    4.6.3. Новые печи с подогревом лома и выбросы.......134
    4.6.4. Современные системы отвода газов.............138
Сокращения и определения................................150
Библиографический список................................154

4

Введение

   Стратегия устойчивого развития, проблемы окружающей среды и развития общества взаимосвязаны. Основные первичные проблемы окружающей среды обусловлены ее загрязнением производственными отходами, приводящими к климатическим изменениям, разрушению озонового слоя, нарушению лесного, кустарникового и травяного покровов земли, эрозии почв и др. Все перечисленные изменения природной среды, в свою очередь, непосредственно связаны с продолжительностью жизни людей и их здоровьем. Задача обнаружения всех связей загрязнения окружающей среды с продолжительностью жизни людей невероятно сложная и доступна лишь целому коллективу специализированных научных организаций, занимающихся как проблемами оценки качества окружающей среды и риска загрязнений природных объектов, переноса в ней промышленных и природных загрязнений, так и оценкой эколого-экономического ущерба, последствий от заболеваний и т.д.
   Важнейшие современные инженерные экологические проблемы вытекают из требований концепции экологически чистого производства (ЭЧП), которая впервые была разработана в США в конце 80-х годов XX века на базе интеграции положительного опыта перехода предприятий на «лучшие из имеющихся технологий, не требующих чрезмерных затрат» (Best Available Technigues, ВАТ). Применительно к производственным процессам - это, прежде всего, сокращение материальных и энергетических затрат, уменьшение количества и снижение уровня токсичности выбросов, сбросов, уменьшение технологических отходов. По существу, под ЭЧП подразумевается «более чистое производство», постольку абсолютного ЭЧП, как и «безотходного производства», не может быть в принципе.
   Преобразование промышленности, разработка новых технологий производства продукции, сопровождаемой той или иной системой очистки выбросов и сбросов должны быть нацелены на то, чтобы добиться работы агрегатов и предприятий с минимальным расходом ресурсов, прежде всего энергии, и минимальным вредным воздействием на окружающую среду.
   Развитие ЭЧП в России стало возможным, прежде всего, благодаря зарубежному опыту, который учитывает системные принципы оптимального решения производственного развития, включая и экологические показатели. В соответствии с программой «Чистое про

5

изводство» он опирается на четыре принципа: 1) «Предотвращение загрязнения - экономически выгодно»; 2) «Причины загрязнения нужно искать прежде всего в производстве»; 3) «Передача опыта и знаний от инженера к инженеру»; 4) «Постоянное и постепенное, шаг за шагом, совершенствование производства».
   Знакомство и изучение опыта ЕС по программе от 8 марта 2012 г. ВАТ прежде всего открывает возможности сравнения отечественных и зарубежных показателей по охране окружающей среды, отражаемой прежде всего в количестве и токсичности выбросов технологическими агрегатами. Информация зарубежного опыта о составе и количестве различных загрязнителей в этих странах существенно более полная, чем в России.
   Основная цель настоящего пособия - довести до сведения студентов, обучающихся по направлениям «Металлургия» и «Техносферная безопасность и природообустройство», материалы по различным выбросам, сбросам и другим отходам, непосредственно отражающие работу и экологические показатели конкретных агрегатов и цехов черной металлургии ЕС. Важнейшие показатели загрязнения окружающей среды (ОС) связаны с выбросами в атмосферу. В целом их количество в любой стране мира превышает допустимое в несколько раз, наибольшая же их доля приходится на металлургическое производство. Очевидно, решение экологических проблем в черной металлургии лежит прежде всего в сфере ее технологического производства. В ЕС количество выбрасываемых в атмосферу металлургическим производством вредных веществ на тонну произведенного проката самое низкое в мире, причем оно ниже, чем в России, в 2-3 раза.
   По усредненным данным взаимосвязь между производительностью металлургического комбината полного цикла, расходом потребляемой энергии и массой выбрасываемых в атмосферу вредных веществ на данном этапе развития относительно стабильна: на 10 млн т произведенного проката затрачивается около 10 млн т условного топлива и выбрасывается в атмосферу около 0,5 млн т вредных веществ. Но вред от выбросов определяется не столько их массой, сколько их составом, токсичностью и канцерогенностью. В представленных в пособии материалах, которые в значительной степени могут быть использованы как справочные по составу металлургических выбросов в различных производствах, вопросам полноты информации о составе металлургических выбросов уделено особое внимание.
   Сведения по экологическим показателям (выбросам и сбросам вредных веществ) черной металлургии ЕС в пособии в основном

6

приведены в форме таблиц и рисунков без каких-либо отклонений от их оригинала с соответствующим переводом надписей. Такая форма представления материала в наименьшей степени допускает ошибки, неточности и позволяет студентам ближе познакомиться с техническим английским языком, причем совершенно без ущерба его понимания и возможностью самостоятельного обобщения прочитанного ими материала.
   Информация по черной металлургии ЕС (справочник BREF) периодически пересматривается и при необходимости обновляется, включая следующие шаги:
   -    идентификация ключевых экологических проблем металлургии на основании анализа ее самых важных технологических производств и установок: агломерационное производство-установка для окомкования-коксовая печь-доменная печь-кислородный конвертер и электродуговая печь. Ключевыми экологическими проблемами являются выбросы в воздух и потребление энергии;
   -    изучение технологий, которые являются самыми важными при обращении к этим ключевым проблемам;
   -    идентификация наилучших уровней экологических показателей на основе имеющихся данных в ЕС и во всем мире;
   -    изучение условий, при которых были достигнуты эти уровни экологических показателей, таких как затраты, воздействия между элементами окружающей среды и основные движущие силы, участвующие при реализации этих технологий;
   -    выбор наилучших доступных технологий (ВАТ), связанные с ними уровни выбросов (и уровни других экологических показателей) и соответствующий мониторинг в этом секторе.
   Работа выполнена по материалам справочного документа по наилучшим доступным технологиям для черной металлургии ЕС [1], переведенного канд. техн. наук А.Г. Юдиным (Всероссийский институт научной и технической информации РАН) [2-4].

7

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОИЗВОДСТВЕ СТАЛИ, ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕСУРСОВ, КЛЮЧЕВЫХ
ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМАХ И ВНУТРЕННЕЙ ПЕРЕРАБОТКЕ ОТХОДОВ

        1.1. Способы производства стали

  В настоящее время в мире используется в основном два способа производства стали: 1) классическое кислородно-конвертерное производство стали-59,8 % и 2) выплавка в электродуговых печах
(EAF) - ~40,2 %, с учетом переработки прямого восстановления (DRI). Процентная доля мирового производства нерафинированной стали с помощью DRI составила около 6,8 % в 2006 г., что соответствовало 59,8 млн т железа DRI. С учетом планируемых производственных площадок мировое производство DRI должно было возрасти до 80 млн т к 2010 г. В Европе производство DRI было ограничено 704 тыс. т в 2006 г. (580 тыс. т в Германии и 124 тыс. т в Швеции), что составляло приблизительно 1,5 % от мирового производства. Потребление DRI в EAF, по данным за 2006 г., составило 1,523 млн т в ЕС-27.
  К концу 2007 г. в общей сложности в эксплуатации находилось шесть установок для восстановительной плавки железной руды, при общей производительности по выплавке 7,45 млн т горячего металла. В странах ЕС-27 не имеется установок для восстановительной плавки в промышленном масштабе.
  Из четырех возможных в настоящее время способов выплавки стали классическая схема - доменная печь-кислородный конвертер, вне всякого сомнения, пока является основной, и она характерна для крупных промышленных комплексов, известных как металлургические заводы полного цикла, занимающих площадь несколько квадратных километров (рис. 1.1). Металлургические заводы полного цикла характеризуются сетями взаимозависимых потоков материалов и энергии между различными промышленными установками (агломерационные установки, установки для получения окатышей, коксовые печи, доменные печи и кислородные конвертеры с последующей разливкой).


8

Рис. 1.1. Вид сверху на металлургический завод с полным циклом

1.2. Ресурсы и их использование
   Основными восстанавливающими металл агентами в доменной печи являются кокс и угольная пыль, образующие монооксид углерода и водород, которые восстанавливают оксиды железа. Кокс и уголь также одновременно выступают в роли топлива.
   Кокс производится из угля с помощью сухой перегонки коксующихся углей в коксовой печи и обладает лучшими физическими характеристиками по сравнению с углем. Во многих случаях дополнительные восстанавливающие агенты поставляются в виде жидкого топлива, природного газа и в некоторых случаях пластиков. Используется обогащенное кислородом горячее дутье. Монооксид углерода (СО) является основным восстанавливающим агентом для оксидов железа.
   Доменная печь загружается сверху шихтой. Она состоит из чередующихся слоев кокса и смеси агломерата и (или) окатышей, кусковой руды и флюсов. В печи, по мере опускания шихты, железная руда все больше и больше восстанавливается, а жидкий чугун и шлак собираются в горне печи, откуда сливаются.
   Шлак из доменной печи гранулируется, окомковывается или выпускается в шлаковую траншею. Гранулы или куски шлака обычно продаются компаниям, производящим цемент. Шлак из траншей можно также использовать в дорожном строительстве.


9

                             
Process inputs  Process waste
                  materials  

Coal

Flue duet, fumei slag

Fume, -slag

Fluxes, ore fines, coke fines, fl ue dust, waste

Pellets, iron ore, sinter, coke, limestone, slag

Liquid steel alloys and powder?

МдСаС. Стой, carrier gas, hot

Basic oxyger

Ladle stirrings

Scales slag, scrap, oil

SOx, NQ» scale, oil¹, fume, emulsion

Oust, CO, HfS, tar, phenol, a mmonia. SO». NO». cyanide, BODi SS, РАН, ВТК

Liquid steel, alloys

Fl ue gases, sludge, phenol dust sulphides, cyanides, NQx.HiS.slag

Flue gases. CO, dust,
    HCl, sulphides, fluorides, heavy metals, PAM, PCDD/F.PCB

Fume, Hi COfa CQ, Mn, Zru fluorides, slag

Return fines,
sirrter plant

Oxygen, hot mats I, SC TAP, lime, fluorspar,

Steel and oils

 Mixer

Vacuum

degasser alloy injection

Continuous casting

Ingot or
casting

Rolling mills

Sludge, basic slag, flue dust, (high iron content) CO, Zn,

        Рис. 1.2. Обзор технологических методов на заводе с полным циклом


     Пояснения к рисунку:
     Process inputs - исходные вещества
     Process waste materials - отходы технологического процесса

10

    Coal - уголь
    Coke ovens - коксовая печь
    Dust, tar, phenol, ammonia, cyanide, BOD, SS, PAH, BTX - пыль, смола, фенол, аммиак, цианид, биохимическое потребление кислорода
    Coke, Fluxes, Iron ore - кокс, флюсы, железная руда
    Fluxes, ore fines, coke fines, flue dust, waste material - флюсы, рудная мелочь, коксовая мелочь, унос пыли, отходы
    Return fines, sinter plant - возврат мелочи, агломерационная установка
    Flue gases, dust, sulphides, fluorides, heavy metals, PCDD/F, PCB - дымовые газы, пыль, сульфиды, фториды, тяжелые металлы, диоксины и фураны, полихлорбифенилы
    Pellets, iron ore, sinter, coke, limestone, slag - окатыши, железная руда, агломерат, кокс, известняк, шлак
    Injectants - вдуваемые вещества
    Blast furnaces - доменная печь
    Carrier gas, hot metal - газ-носитель, жидкий металл
    Transfer ladle, Torpedo ladle - ковш для транспортировки, сигарообразный мик-серный ковш
    Flue dust, fume, slag - унос пыли, дым, шлак
    Mixer - миксер
    Oxygen, hot metal, scrap, lime, fluorspar, coke - кислород, жидкий металл, лом, известь, плавиковый шпат, кокс
    Fume, slag - дым, шлак
    Basic oxygen furnace - кислородный конвертор
    Sludge, basic slag, flue dust, (high iron content) - шлам, основной шлак, унос пыли (высокое содержание железа)
    Liquid steel, alloys - жидкая сталь, сплавы
    CAS-OB, Ladle furnace, Vacuum degasser, Ladle stirring, alloy injection - процесс корректировки состава стали в ковше с помощью аргоно-кислородной продувки компании Nippon steel, печь-ковш, вакуумный дегазатор
    Fume, fluorides, slag - дым, фториды, шлак
    Continuous casting - непрерывная разливка
    Scale, slag, scrap, oil - окалина, шлак, лом, масло
    Liquid steel, alloys and powders - жидкая сталь, сплавы и порошки
    Ingot or casting - слиток или разливка
    Scarfing - огневая зачистка слитков
    Steel and oils - сталь и масла
    Rolling mills - прокатный стан
    Scale, oil, fume, emulsion - окалина, масло, дым, эмульсия
    Жидкий чугун из доменной печи (жидкий металл) транспортируется в кислородный конвертер, в котором содержание углерода приблизительно с 4 % масс. снижается менее чем до 1 % масс., в результате чего получается сталь. Обычно применяется предшествующая десульфурация жидкого металла в ковше и последующая ковшовая металлургия для получения стали требуемого качества. После выпуска из кислородного конвертора жидкая сталь разливается либо в

11

слитки, либо с помощью непрерывной разливки. В некоторых случаях применяется вакуумная дегазация для дополнительного повышения качества стали.
   Литые изделия (слитки, слябы, заготовки или блюмсы) впоследствии подвергаются обработке в прокатных станах и на чистовых линиях для их реализации на рынке.
   Технологические маршруты металлургического завода с полным циклом приведены на рис. 1.2. На этом рисунке представлена схема основных потоков сырья, выбросов и остатков, связанных с процессом для каждой стадии технологического маршрута.
   Из рисунка следует, что почти половина вводимых ресурсов превращается в отходящие и технологические газы, твердые остатки.

1.3. Ключевые экологические проблемы
   Ключевые экологические проблемы, возникающие в технологии: агломерационное производство - установка для окомкования - коксовая печь - доменная печь - кислородный конвертер и EAF.
   1.   Агломерационная установка. Агломерат, как продукт процесса агломерации материалов, в которых содержится железо, представляет собой основную часть шихты в доменной печи. На выбросы от главной дымовой трубы агломерационных установок приходится до 50 % общих выбросов пыли от металлургического завода с полным циклом. Другими важными загрязняющими веществами в выбросах дымовых газов от агломерационной ленты и охладителя являются тяжелые металлы, SO₂, HCl, HF, полициклические ароматические углеводороды (PAH) и стойкие загрязнители (такие, как РСВ и PCDD/F). Кроме того, определенные проблемы связаны с утилизацией физического тепла и использованием твердых отходов. Выгоды для окружающей среды в этом процессе связаны с рециклингом твердых побочных продуктов с высоким содержанием железа в последующих процессах и потенциальной утилизацией тепла.
   2.   Установки для получения окатышей. Окомкование является еще одним процессом, используемым для спекания материалов, в которых содержится железо. Доминирующие экологические проблемы - выбросы в воздух, очистка сточных вод и внутреннее использование остатков процесса.
   3.   Коксовые заводы. Коксовый завод состоит из одной или более коксовых батарей с устройством для нагревания в коксовой печи (без доступа воздуха) и установки для очистки технологического газа, и

12