Металлургия техногенного вторичного сырья : прогноз распространения газовых выбросов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

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

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 436 

Кафедра экстракции и рециклинга черных металлов

А.Л. Петелин 
К.В. Вишнякова 
Е.С. Михалина 

Металлургия техногенного
вторичного сырья 

Прогноз распространения газовых выбросов 

Курс лекций 

Допущено учебно-методическим объединением по образованию 
в области металлургии в качестве учебного пособия для студентов
высших учебных заведений, обучающихся по направлению 
Металлургия 

Москва  2011 

УДК 504 
 
П29 

Р е ц е н з е н т  
канд. физ.-мат. наук, доц. А.О. Родин 

Петелин, А.Л. 
П29  
Металлургия техногенного вторичного сырья : прогноз распространения газовых выбросов : курс лекций / А.Л. Петелин, 
К.В. Вишнякова, Е.С. Михалина. – М. : Изд. Дом МИСиС, 
2011. – 48 с. 
ISBN 978-5-87623-498-8 

Рассмотрены основные подразделения металлургического производства и 
вносимый ими вклад в загрязнение атмосферы, а также характеристики основных газовых выбросов. Исследованы методы определения концентрации 
веществ в атмосфере. Особое внимание уделяется методике ОНД-86, а также 
новой методике, основанной на определении максимально возможной концентрации на различных расстояниях от источника загрязнения. 
Курс лекций предназначен для бакалавров специальности 150109 «Металлургия техногенных и вторичных ресурсов». 

УДК 504 

ISBN 978-5-87623-498-8 
© Петелин А.Л., Вишнякова К.В., 
Михалина Е.С., 2011 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение....................................................................................................4 
1. Загрязнение атмосферы........................................................................6 
1.1. Подразделения металлургического производства 
и вносимый ими вклад в загрязнение атмосферы .............................8 
1.2. Характеристика основных компонентов газовых 
выбросов металлургических предприятий.......................................11 
2. Методы определения коцентрации веществ в атмосфере ..............15 
2.1. Мониторинг..................................................................................15 
2.2. Моделирование процессов в атмосфере....................................18 
2.3. Методика ОНД-86 .......................................................................20 
3. Модель, основанная на критерии определения 
максимальных концентраций................................................................29 
3.1. Однофакторный вариант – диффузия........................................30 
3.2. Однофакторный вариант – учет ветровой нагрузки.................33 
3.3. Двухфакторный вариант – учет химического 
взаимодействия при диффузии и при ветровой нагрузке...............35 
3.4. Трехпараметрическая модель.....................................................37 
4. Схема расчета вторичных газовых выбросов ..................................42 
4.1. Анализ в равновесных условиях ................................................42 
4.2. Расчет концентрации вторичных выбросов 
для открытой реакционной системы.................................................43 
Библиографический список...................................................................45 
Приложение 1. Объем газовых выбросов 
ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат»..........................46 
Приложение 2. Объем газовых выбросов  
ОАО «НПК “Уралвагонзавод”» за 2008 г. ...........................................46 
Приложение 3. Годовая роза ветров Липецкой области.....................47 
Приложение 4. Годовая роза ветров г. Нижний Тагил .......................47 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Под загрязнением окружающей среды понимают внесение в ту 
или иную экологическую систему не свойственных ей живых или 
неживых компонентов или структурных изменений, прерывающих 
круговорот веществ, их ассимиляцию, поток энергии, вследствие чего данная система разрушается или снижается ее продуктивность. 
Источники загрязнения делят на две основные группы: природные 
и антропогенные (рис. В1). С природными загрязнениями, вызванными естественными природными факторами окружающая среда 
достаточно быстро справляется в отличие от загрязнений, вызванных 
антропогенными факторами. Антропогенное загрязнение, во-первых, 
несет в себе долю не свойственных природе веществ, трудно поддающихся распаду на простые вещества, и, во-вторых, как правило, 
количество антропогенных веществ во много раз превышает выбросы природных источников загрязнения. 
Антропогенные источники загрязнения весьма разнообразны. 
Среди них не только промышленные предприятия и теплоэнергетические комплексы, но и бытовые отходы, отходы животноводства, 
транспорта, а также химические вещества, вводимые человеком в 
экосистемы для защиты полезных продуцентов от вредителей, болезней, сорняков. 
Ингредиенты загрязнения – это тысячи химических соединений, 
особенно металлы или их оксиды, токсичные вещества, аэрозоли. По 
данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), в практике 
в настоящее время используется до 500 тыс. химических соединений. 
При этом около 40 тыс. соединений обладают вредными для живых 
организмов свойствами, а 12 тыс. – токсичны. 
 

Рис. В1. Возможные формы загрязнения 
(загрязнителей) окружающей среды 

1. ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ 

Важнейшие климатические и экологические особенности Земли в 
решающей степени определяются наличием и свойствами ее газовой 
оболочки – атмосферы. Благодаря специфическому газовому составу, 
способности поглощать и отражать солнечную радиацию, озоновому 
слою, в котором задерживается основная часть коротковолнового 
излучения Солнца, благоприятному температурному режиму и присутствию водяного пара атмосферу можно назвать одним из главных 
источников жизни на Земле. 
Основным показателем, характеризующим воздействие загрязняющих веществ на окружающую природную среду, является их концентрация (табл. 1.1). С позиции экологии предельно допустимые концентрации (ПДК) конкретного вещества представляют собой верхние пределы лимитирующих факторов среды (в частности, химических соединений), при которых их содержание не выходит за допустимые границы 
экологической ниши человека. 
Ежегодно при анализе информации о загрязнении атмосферного 
воздуха в приоритетный список городов вносятся города с наибольшим уровнем загрязнения атмосферы (табл. 1.2). 

Таблица 1.1 

Химический состав чистого сухого воздуха 

Вещество 
Содержание, 

% объемн. 
Вещество 
Содержание,

% объемн. 

Азот (N2) 
78,084 
Озон (О3) лето 
Озон (О3) зимой 
< 120·10–6 

< 2·10–6 

Кислород (O2) 
20,9476 
Ксенон (Xe) 
8,7·10–6 

Аргон (Ar) 
0,934 
Оксид азота (N2O) 
< 1·10–4 

Водяной пар (H2O) 
Не учитывается
Монооксид углерода (CO)
(5…8) ·10–6 

Оксид углерода (CO2)
3,65·10–2 
Водород (Н2) 
5·10–5 

Неон (Ne) 
1,818·10–3 
Аммиак (NH3) 
<1·10–4 

Криптон (Kr) 
1,14·10–4 
Оксид азота (ІV) (NO2) 
Оксид азота (NO) 
< 2·10–6 

3,04·10–5 

Метан (CH4) 
1,72·10–4 
Диоксид серы (SO2) 
< 7·10–6 

Гелий (He) 
5,24·10–4 
Сероводород (H2S) 
Следы 

Основной вклад в высокий уровень загрязнения воздуха вносят 
предприятия черной и цветной металлургии, химии и нефтехимии, 
стройиндустрии, энергетики, целлюлозно-бумажной промышленности, а в некоторых городах и котельные. Из года в год возрастает за

грязнение атмосферного воздуха веществами, характерными для автомобильного транспорта. 

Таблица 1.2 

Города с наибольшим уровнем загрязнения воздуха 

Город 
Вещества, определяющие высокий уровень загрязнения 
атмосферы города 

Отрасль промышленности, предприятия которой ответственны за 
высокий уровень загрязнения 

Архангельск 
Метилмеркаптан, формальдегид, бенз(а)пирен 
Целлюлозно-бумажная, энергетика 

Екатеринбург* 
Формальдегид, бенз(а)пирен, 
акролеин, диоксид азота 
Черная металлургия, машиностроение, автотранспорт 

Иркутск* 
Формальдегид, сажа, 
бенз(а)пирен, диоксид азота 
Энергетика, тяжелое машиностроение 

Липецк* 
Формальдегид, фенол, диоксид азота, пыль 
Черная металлургия, строительная 

Красноярск* 
Формальдегид, бенз(а)пирен, 
пыль, бензол 
Нефтехимическая, цветная металлургия, целлюлозно-бумажная

Магнитогорск* Формальдегид, сероуглерод, 
диоксид азота, пыль 
Черная металлургия 

Москва 
Формальдегид, бенз(а)пирен, 
бензол, диоксид азота 
Автотранспорт, черная металлургия 

Мытищи 
Формальдегид, бензол, диоксид азота, сероуглерод 
Машиностроение, электротехническая, строительная, химическая

Нижний Тагил* Формальдегид, бенз(а)пирен, 
фенол, сероуглерод 
Черная металлургия, химическая, 
строительная 

Новокузнецк* 
Формальдегид, бенз(а)пирен, 
бензол 
Черная и цветная металлургия, 
энергетика 

Норильск 
Формальдегид, диоксид азота, 
пыль 
Цветная металлургия 

Хабаровск* 
Формальдегид, бенз(а)пирен, 
диоксид азота, аммиак 

Энергетика, строительная, нефтехимическая, железнодорожный 
транспорт 

Челябинск 
Формальдегид, бенз(а)пирен, 
бензол 
Энергетика 

Примечание. Звездочкой отмечены города, которые более 5 лет включаются в 
список городов с высоким уровнем загрязнения атмосферного воздуха. 

Наиболее распространенные загрязнители – зола и пыль различного состава, оксиды цветных и черных металлов, различные соединения серы, азота, фтора, хлора, радиоактивные газы, аэрозоли и др. 
Наибольшее загрязнение атмосферного воздуха газовыми компонентами приходится на долю оксидов углерода – около 200 млн т в год; 
пыль – около 250 млн т в год; зола – около 120 млн т в год; углеводороды – около 50 млн т в год. 

1.1. Подразделения металлургического 
производства и вносимый ими вклад 
в загрязнение атмосферы 

Коксохимическое производство 

Коксовый газ – горючий газ, образующийся в процессе коксования каменного угля, т.е. при нагревании его без доступа воздуха до 
900…1100 °С. Коксовый газ содержит много опасных веществ. Кроме водорода, метана, оксидов углерода в его состав входят пары каменноугольной смолы, бензол, аммиак, сероводород и др. Парогазовая смесь выделяющихся летучих продуктов (до 25 % масс. угля) отводится через газосборник для улавливания и переработки. Для разделения летучие продукты охлаждают впрыскиванием распыленной 
воды (от 70 до 80 °C), при этом из паровой фазы выделяется большая 
часть смол, дальнейшее охлаждение парогазовой смеси проводят в 
кожухотрубчатых холодильниках (до 25…35 °C). Конденсаты объединяют и отстаиванием выделяют надсмольную (аммиачную) воду и 
каменноугольную смолу. Затем сырой коксовый газ последовательно 
очищают от аммиака и сероводорода, промывают поглотительным 
маслом (для улавливания сырого бензола и фенола), серной кислотой 
(для улавливания пиридиновых оснований). Очищенный коксовый 
газ (14…15 % масс. угля) используют в качестве топлива для обогрева батареи коксовых печей и для других целей. Cостав угольного газа 
может изменяться в зависимости от вида угля и температуры карбонизации. Типичные показатели: H2 – 50 % объемн., CH4 – 35 % объемн., CO – 10 % объемн., этилена – 5 % объемн. 

Агломерационное производство 

Источником пылегазовых выделений является технологическое оборудование: агломерационные машины, охладители агломерата и возврата, обжиговые печи, а также многочисленные аспирационные системы – дробилки измельчения, грохоты, транспортеры, бункеры и др. 
Химический состав агломерационной пыли зависит от состава руды. 
Обычно пыль содержит 40…50 % масс. железа и его оксидов; 9…15 % 
масс. оксида кремния; 7…12 % масс. оксида кальция; 5…6 % масс. 
углерода; 2…8 % масс. глинозема; 0,5…1,5 % масс. оксида магния, а 
также некоторые другие компоненты. Состав агломерационного газа: 
СО – 15…20 %, СО2 – 20…25 %, N2 – 40…45 %, S – 2 %. 

Доменное производство 

Удельные технологические выбросы с колошниковыми газами 
при выплавке передельного чугуна, кг/т чугуна: пыль – 100; СО – 640; 
О2 – 0,08…0,45. Температура доменного газа на выходе из печи составляет обычно 300…350 °С.  
Химический состав пыли изменяется в широких пределах. Например, при выплавке передельного чугуна и работе с повышенным 
давлением на колошнике печи пыль содержит, % масс.: SiO2 – 14,6; 
MgO – 4,35; Al2O3 – 4,35; CaO – 11,85; S – 0,74; MnO – 3,75, остальное – оксиды железа. Дисперсный состав пыли также зависит от многих факторов и может колебаться в широких пределах, размер частицы, мкм: 200, 200…100, 100…60, 60…20, 20…10, 10…1. Масса пыли, 
вносимой доменными газами, составляет 20…100 кг/т чугуна. Средняя запыленность доменных газов 9…55 г/м3, а при неполадках или 
мелкой шихте может достигать 200 г/м3. 
Количество образующегося доменного газа составляет 3880 м3/т 
влажного кокса, или 4000 м3/т сухого кокса, или 2000…2500 м3/т чугуна. Состав колошникового газа, % объемн.: СО2 – 12…20; СО – 
20…30; CH4 – до 0,5; H2 – 1…4; N2 – 55…58. 

Мартеновское производство 

В мартеновских печах дымовые газы образуются в результате 
сгорания топлива, нагрева и разношения сыпучих материалов и 
окисления углерода шихты. 
Средний состав уходящих продуктов сгорания, работающих на 
дутье, обогащенном кислородом, % объемн.: СО – 10,5…15,1; Н2О – 
16…16,5; N – 62,3…66,1; О2 – 6,5…7,1. 
Уходящие газы мартеновских печей содержат большое количество пыли, выделение которой по ходу плавки неравномерно. Максимальное пылевыделение наблюдается в период плавления при продувке ванны кислородом. 
Основную часть пыли составляют оксиды железа, количество которых достигает 65…92 %. В уходящих газах мартеновских печей, 
кроме пыли, содержатся вредные газообразные компоненты: оксиды 
серы – 30…50 мг/м3, оксиды азота – 200…400 мг/м3. 

Электросталеплавильное производство 

По ходу плавки состав газов меняется в зависимости от скорости 
выгорания углерода (табл. 1.3). 

Таблица 1.3 

Состав газов электросталеплавильного производства 

Компоненты 
Содержание, % объемн. 

СО2 
15...25 

СО 
5...11 

Н2 
0,5...35 

О2 
3,5...10 

N2 
61...72 

Выходящие из печи газы в значительной степени засорены пылью. Мелкодисперсная пыль образуется в результате испарения металла в зоне действия электрических дуг и кислородной продувки и 
последующей конденсации в печном пространстве. Средняя концентрация пыли в газе 15…30 г/м3, что дает удельный выход 6…9 кг/т стали. 
В небольших количествах в газах находятся следующие токсические микрокомпоненты, мг/м3 (г/т): оксид азота – 550 (2701), оксид 
серы – 5 (l,6), цианиды 60 (28,4), фториды – 1,2 (0,56). 

Конвертерное производство 

Химический состав конвертерных газов колеблется обычно в следующих пределах, % объемн.: СО2 – 85…90; СО – 8…14; О2 – 
1,5…3,5; N2 – 0,5…2,5. 
С газами из конвертера выносится мелкодисперсная пыль, количество которой резко увеличивается с ростом интенсивности продувки.  
Химический состав пыли, % масс.: железо и его оксиды – 60…70; 
известь – 5…17; кремний – 0,7…3 и некоторые другие компоненты. 

Прокатное производство и работа 
теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) 

В прокатном цехе по сравнению с другими цехами предприятия 
выделения пыли и газов значительно меньше. Количество выделяющейся пыли на 1 т проката составляет при прокатке слябов и блюмов 
до 80 г, а при прокатке листа до 100 г. 
Для удаления окалины с поверхности горячекатаной полосы применяется травление в серной или соляной кислоте. Поэтому в удаленном воздухе может содержаться 15…20 % объемн. серной кислоты и по 35…40 % объемн. азотной и соляной кислот. Среднее содержание кислоты в воздухе составляет 2,5…2,7 г/м3. 
В котельных агрегатах ТЭЦ используют в качестве топлива доменный газ и уголь. В атмосферу выбрасывается сернистый ангидрид, оксид азота и большое количество пыли. 

1.2. Характеристика основных компонентов 
газовых выбросов металлургических 
предприятий 

Оксид углерода (II) 

Физико-химические свойства. Газ без запаха и цвета. Почти не 
поглощается активным углем, горит синим пламенем с образованием 
СO2 и выделением тепла. При низких температурах СО достаточно 
инертен; при высоких температурах и в присутствии катализаторов 
легко вступает в различные реакции. С водой, кислотами и щелочами 
не реагирует. Обладает свойствами восстановителя.  
Антропогенные источники поступления в окружающую среду. 
Содержится в выбросах производств: нефтехимического, сульфатцеллюлозного, линолеума, толя, рубероида, пергамина, пенопласта, минеральных плит, углехимического, алюминиевого, асфальтобетона, цемента, коксохимического, аммиачной селитры, аммиака, метилового спирта, металлургического, металлообрабатывающего, органического синтеза, синтетического бензина, а также 
в выбросах ТЭЦ. 
Небольшие количества монооксида углерода природного происхождения образуются в результате вулканической деятельности и 
окисления метана в атмосфере. 
Токсичность. Сильно токсичен; вызывает головную боль, головокружение, рвоту, беспокойство, одышку, судороги, смерть. Монооксид углерода представляет опасность для человека, потому что он 
может связываться с гемоглобином крови, а также участвует в образовании смога. 
Гигиенические нормативы. Предельно допустимая концентрация максимально разовая ПДКмр = 5,0 мг/м3 и предельно допустимая 
концентрация среднесуточная ПДКсс = 3,0 мг/м3, резорбтивное действие, класс опасности 4. 

Оксид углерода (IV) 

Физико-химические свойства. Бесцветный газ, имеющий кисловатые вкус и запах; при возгонке затвердевает, минуя жидкое состояние, и превращается в сухой лед. Химически СO2 довольно инертен. С сильными основаниями энергично реагирует, образуя карбонаты. При высоких температурах восстанавливается в СО железом, 
цинком и некоторыми другими металлами, а также углем.