Некоторые аспекты развития и повышения экологической безопасности предприятий черной металлургии Украины

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГВУЗ "Донецкий национальный технический университет" (Донецк, Украина)

Некоторые аспекты развития и повышения экологической безопасности предприятий черной металлургии Украины

И.М. Мищенко /к.т.н./

Я.Ю. Асламова

Г.И. Стамбулжи

Постановка проблемы. Горно-металлургические предприятия Украины производят почти 30 % внутреннего валового продукта и обеспечивают 40 % валютных поступлений в бюджет страны [1]. При этом несут ответственность за наибольшую экологическую нагрузку на окружающую среду в металлургических регионах (Донбасс, Приднепровье, Кривбасс), где масса газопылевых выбросов на одного жителя превышает среднюю по стране в 8…10 раз. К примеру, в Донецком регионе, имеющем наибольшую в Украине и даже в Европе плотность населения (180 человек на км²), удельные газопылевые выбросы составляют 330…350 кг/чел., а средние по стране, принятые в оценках как условные для непромышленных регионов, не превышают 35…38 кг/чел. в год [2].

Предприятия горно-металлургического комплекса (ГМК) в годы роста экономики Украины увеличили выпуск продукции после резкого спада в 90-е годы XX века: с 2001 по 2007 г. производство стали увеличилось почти на 30 % (от 33 до 42,83 млн. т), возросло производство железной руды - до 77,4 млн. т, чугуна - до 35,6 млн. т и проката - до 37,9 млн. т, хотя и продолжало значительно уступать объемам производства металлопродукции в 80-е годы XX века. Углубление мирового финансово-экономического кризиса в 2008…2009 гг. в определяющей мере вызвало очередной спад выпуска продукции черной металлургии.

В ближайшей перспективе до 2015…2017 гг., по мере преодоления кризиса экономики, производство стали в Украине может достигнуть 45 млн. т. Среди десяти наиболее развитых металлургических держав Украина пока занимает восьмое место, опережая Бразилию и Индию. Тройка лидеров мировой черной металлургии (Китай, Япония, США) производят более 70 млн. т стали - 52,7 % от общего ее производства (1346,3 млн. т в рекордном 2007 г.), а на долю металлургического гиганта - Китая - приходится 489,24 млн. т - 36,4 % от мирового производства стали. Ведущие и другие, во многом прогрессивные металлургические страны (Германия, Франция, Австрия, Италия) являются яркими примерами прогрессивного развития отдельных металлургических производств и одновременного решения экологических проблем в этих производствах. Без подобных экологических достижений у других, менее "продвинутых" стран, возникают затруднения при выходе на зарубежные рынки черных металлов. Импортеры не хотят приобретать металлургическую продукцию предприятий, не имеющих сертификатов по системам экологического менеджмента (требования стандартов ISO серии 14000) и управления качеством (требования стандартов ISO серии 9000). Этот опыт учитывается в Украине при разработке стратегии модернизации ГМК, но темпы проведения соответствующих мероприятий остаются медленным.

Анализ последних исследований и публикаций. Большое внимание решению экологических проблем металлургического производства уделено в работах Буториной И.В. [3], Юсфина Ю.С. [4], Пипчука С.И. [5-6], Галут Л.Д. [7], Щульца А.А. [8], Салей А.А. [9]. Основными задачей в сфере охраны окружающей среды является сокращение до предельно допустимых концентраций вредных выбросов по всем металлургическим переделам, повышение эффективности утилизации вторичных железосодержащих материалов.. Во многих случаях природоохранные технологии, внедренные на предприятиях, являются уникальными в своем роде.

Выделение нерешенных ранее частей общей проблемы. В металлургических регионах Украины кризисную (точнее, критическую) экологическую ситуацию создают в совокупности четыре металлургических производства: коксохимическое, агломерационное, доменное и сталеплавильное. Уместно особо отметить, что на украинских предприятиях полного металлургического цикла производство чугуна и снабжающие его производства кокса и агломерата выбрасывают в атмосферу более 50 % пыли, 62 % сернистого ангидрида и сероводорода, 90 % монооксида углерода и 38 % токсичных оксидов азота; в совокупности это более 500 тыс. т только в Донбассе.

Особую озабоченность и раздраженность населения Донбасса, Приднепровья и Кривбасса вызывают зловоние и токсичные многокомпонентные газопылевые выбросы коксохимического производства. Этому производству принадлежат более 70 % выбросов бензапирена, основная часть выбросов аммиака, цианистого водорода, сероводорода, фенола, бензола, сажи и др.

Значительная часть выбросов пыли (почти 20 %), а также газовых выбросов в виде CO и особенно NO_х связана преимущественно с мартеновским производством стали, которое в мире практически полностью давно ликвидировано, а в Украине будет сокращаться и только к 2017 г объем выплавки этой стали может составить 10…15 % против 44 % в 2007…2010 гг.

Полный переход на выплавку стали только в кислородных конвертерах и электропечах с одновременным внедрением агрегатов "печь-ковш" и машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) позволит сократить на 30…40 % расход энергии и уменьшить расход металла на прокат на 500…700 тыс. т в год.

Необоснованно мало внимания уделяется актуальной проблеме повышения экологической безопасности металлургического комплекса Украины. Решение данной проблемы необходимо понимать как комплексное решение задач, связанных со снижением удельного уровня потребления топливно-энергетических и сырьевых ресурсов; минимизации негативных воздействий на окружающую среду, росте производства высокотехнологичной металлопродукции.

Формулирование целей. Целью данной работы является разработка рекомендаций по экологизации и преобразованию черной металлургии, имеющей инвестиционное значение для экономики Украины, в высокотехнологичную, экологически безопасную, экономически эффективную отрасль.

Изложение основного материала исследования. На основании анализа некоторых реализуемых и стратегических планов переоснащения черной металлургии [10…12] с целью значительного улучшения технико-экономических характеристик процессов производства продукции, авторы считают важным отметить следующее:

I. Коксохимическое производство

1. Появляющиеся в ближайшие 7…10 лет возможности по существенному сокращению потребления и, безусловно, уменьшению производства кокса в связи с заменой 30…40 % его удельного расхода при выплавки чугуна пылеугольным топливом (ПУТ) (частично антрацитом и косовым газом), целесообразно использовать для сноса, реконструкции и строительства современных коксовых батарей, модернизации технологии производства кокса с целью существенного улучшения его качества и значительного сокращения газопылевых выбросов на всех стадиях коксохимического производства (подготовка, загрузка, коксование углей, выдача, охлаждение и сортировка кокса). Этим стадиям производства кокса принадлежит сейчас более 70 % в основном залповых выбросов, в процессах загрузки угля, выгрузки и тушения кокса. Необходимо отметить, что имеющиеся установки бездымной загрузки угля и сухого тушения кокса нередко, по разным причинам, не используются, а установки безпылевой выдачи кокса (БПВК) или не смонтированы на двересъемных машинах или нерегулярно и неэффективно используются. Это означает, что допускается, увеличение выбросов, на этой стадии производства, в 5…10 раз.

Безусловное применение известных устройств и способов сокращения выбросов вредных веществ при подготовке, загрузки в печи угольной шихты, выдаче, тушении и механической обработке кокса является, по сути, основным направлением экологизации действующего коксохимического производства.

Однако, повышение качества кокса также открывает большие возможности по уменьшению загрязненности окружающей среды.

Так, вполне реальное уменьшение содержания в коксе золы на 1 %, серы - на 0,3-0,5 %, влаги до 0,5-0,6 %, повышение показателей прочности кокса на 15-25 % создает условия для сокращения расхода кокса при производстве чугуна на 7 %, что в масштабах черной металлургии страны, выплавляющей более 34 млн. т чугуна, составляет 1120 тыс. т. Это реальные объемы возможного сокращения производства кокса при соответствующем уменьшении вредных выбросов. Выведенные из эксплуатации мощности - это физически изношенные и морально устаревшие две-три коксовые батареи.

Их ликвидация может быть окончательным прекращением выпуска кокса в данном регионе или на месте старых батарей окажется целесообразным возведение новых современных с комплексом новых природоохранных процессов.

Показательным примером воплощения современных технологических и экологических устремлений является строительство и ввод в работу в 1993 и 2006 гг. двух новых мощных коксовых батарей на Алчевском коксохимическом заводе, где впервые в мировой практике успешно сочетаются экологичные, ресурсосберегающие технологии коксования предварительно трамбованной шихты и прогрессивного сухого тушения кокса. Общий экологический итог использования новых процессов в полном объеме предстоит изучить в дорогих специальных исследованиях, однако за полтора десятилетия в качестве достижений можно отметить то, что качественный кокс с высокими показателями прочности (М₂₅=89,2 %, М₁₀5,7 %) удается получать в основном из слабоспекающихся и газовых углей.

Это крупнейшее достижение, учитывая крайнюю ограниченность запасов коксующихся углей.

Кроме того, выбросы CO и NO_x в дымовых газах системы обогрева коксовых печей снижены на 20 %. Значительно сокращены выбросы SO₂, H₂S, аммиака, фенольных соединений, обычно сопровождающих мокрое тушение кокса. И в целом коксование трамбованной шихты в комбинации с бездымной загрузкой в камеры коксования уплотненной угольной шихты, безпылевой выдачей и сухим тушением кокса является экологичным, перспективным процессом.

II. Аглодоменное производство

1. Только в условиях использования высококачественного агломерата и окатышей с содержанием железа, соответственно, не менее 56…58 и 64…65 % со средней степенью офлюсования смеси обоих видов сырья по CaO:SiO₂ равной 1,2…1,25, содержанием мелких фракций в них не более 3…5 %, при обязательном применении кокса высокого качества по величинам холодной (М25 и М10), горячей прочности CSR, соответствующим 87…89 и 5…6 %, а также 45…65 %; содержанию серы - не более 0,7…1 %, золы - не более 10 %, при использовании обогащенного кислородом дутья с температурой 1250…1300 °С, возможно кардинальное сокращение расхода углеводородных топлив - восстановителей в доменном производстве Украины до минимального, достигнутого в передовых странах мира уровня: 480…520 кг/т чугуна [11], в числе которых 200…240 кг/т - ПУТ и 300…320 кг/т - кокс в сочетании с коксовым орешком.

2. Достижение одного из необходимых условий - высокого качества агломерата (главного рудного сырья черной металлургии) возможно только лишь в результате реконструкции устаревших, строительства на большинстве предприятий Украины (Алчевский металлургический комбинат, комбинат им. Дзержинского, Запорожсталь, Южный горно-обогатительный комбинат, Енакиевский металлургический завод) современных аглофабрик с большими агломерационными машинами и прогрессивными технологическими процессами, гарантирующими одновременное снижение вредных газопылевых выбросов на 30…50 % и более [12].

В сфере агломерации актуальными остаются стадии усреднения сырья, подготовки сырьевых компонентов по крупности, известкования, совершенствования загрузки на агломашины. Большие трудности связаны с высокослойным спеканием шихты, так как на путик нему нужно основательно повысить качество смешивания и особенно окомкования шихты при обязательном применении в ней 30-40 кг/т высокоактивной извести. Высота слоя 600-700 мм - это, кроме того, новая герметичная газовая сеть современной агломашины, оснащенной мощным эксгуастером, создающим разрежение под слоем на уровне 1500 мм вод.ст. (около 15 кПа) и выше.

Без многостадийной подготовки прочного спека, полученного в супервысоком слое, нельзя рассчитывать на получение агломерата с отличным гранулометрическим составом, к чему призваны практически ве технологические процессы на зарубежных аглофабриках.

3. Обогащение агломерационной шихты железом возможно за счет использования богатых концентратов и в т.ч. импортируемых аглоруд, исключения из состава шихты бедных отходов, проблему частичной утилизации которых можно решить, используя готовые разработки Украинского института по проектированию металлургических заводов (Днепропетровск, Украина) [13] в части обогащения и брикетирования шламов, пылей, шлаков.

4. Любые превентивные капитально-восстановительные ремонты действующих, предельно изношенных аглофабрик Украины, к которым тяготеют некоторые руководители металлургических предприятий, не могут привести к существенным результатам по улучшению качества агломерата, снижению энергопотребления, экологизации производства и повышению конкурентоспособности конечной товарной продукции [12].

5. Использование высокоосновного агломерата способствует не только улучшению технико-экономических показателей доменной плавки, но существенному сокращению выбросов в атмосферу. Современная шихта доменных печей, состоящая в рудной части из высокоосновного агломерата (50-70 %) и низкоосновных окатышей (30-50 %) офлюсована до уровня основности доменных шлаков (CaO:SiO₂=1,0-1,25 абс.ед.), как правило, за счет большой основности агломерата (1,6-1,8 абс.ед.), исключающей необходимость ввода в шихту сырого известняка. В сложных сырьевых условиях работы украинских предприятий возможно производство агломерата в широком диапазоне значений его основности - от 1,2 до 2,2 абс.ед.

В качестве причин производства агломерата недостаточной для полного офлюсования доменной шихты основности можно выделить:

- мощность дробильно-сортировочного оборудования отделений приготовления известняка для офлюсования агломерационной шихты и производства извести непосредственно в технологическом потоке аглофабрик является крайне недостаточной;

- отсутствуют или имею малую мощность агрегаты для производства качественной агломерационной извести, применение которой сильно упрощает проблему производства высокоосновного агломерата;

- содержание пустой породы в агломерируемых рудах и концентратах продолжает оставаться повышенным;

- при загрузке на агломашины шихты высокой основности наблюдается интенсивное залипание колосниковой решетки паллет агломашин, что обуславливает существенное снижение скорости спекания и вынуждает применять механизмы отстукивания колосника.

Все подготовительные мероприятия оп обеспечению производства «флюсующего» агломерата вытекают из указанного ряда лимитирующих факторов. В первую очередь необходим повышение мощности дробилок и грохотов известняка, так как в проектах большей части старых аглофабрик производство высокоосновного агломерата не предусмотрено.

На некоторых предприятиях замена в доменной шихте сырого известняка высокоосновным агломератом приносит как экономические, так и большие экологические выгоды.

Перенос сырого известняка из доменной шихты в агломерационную сопровождается большой экономией самого дорогого (в начале 2011 года его цена достигла 2700 грн/т) и дефицитного энергоносителя - металлургического кокса, что одновременно повышает производительность доменного процесса и качество чугуна. Также, при производстве агломерата повышенной основности значительная часть сернистых соединений (SO₂, H₂S) переходит из агломерационных газов в массу спека (до 10 - 15%) и не выбрасывается в атмосферный воздух, и без того сильно загрязненный вредными веществами сверх предельно допустимых концентраций. Такую экономию кокса надо использовать для сокращения (и это оправданно) мощностей коксохимического производства. Исключение из объемов производства 20 тыс. т. сэкономленного кокса при выплавке 1 млн. т. чугуна, означает уменьшение выброса в атмосферу около 400 т. исключительно ядовитых веществ коксохимии, среди которых оксиды серы и азота, сероводород, аммиак, цианистый водород, бензапирен, диоксины, фураны и др. (табл. 1)

Таблица 1. Снижение вредных выбросов при производстве кокса и агломерата в связи с различными способами офлюсования доменной шихты в расчете на 1 млн. т. чугуна

Примечание: Способы офлюсования: А - сырым известняком; Б - высокоосновным агломератом. * - включая 375 т SO2 процесса агломерации.

С учетом уменьшения удельного расхода кокса приход серы в доменную печь с шихтой или сохраняется или несущественно возрастает. Возможное увеличение поступления серы в доменную печь с железорудной частью шихты на 0,3 - 0,5 кг/т чугуна является незначительным, поскольку в приходной части баланса серы это всего лишь 4-5%. К тому же следует учитывать достаточные резервы серопоглотительной способности шлака, а также то, что на некоторых предприятиях действуют установки внедоменной десульфурации чугуна. Сера, связанная в шлаке в виде CaS и других соединений, обычно в небольших количествах (примерно 2% от исходной массы) выделяется в атмосферу в виде SO2, H2SO4 и H2S при грануляции шлака. Применение современных грануляционных установок воздушно-водяной или воздушной грануляции шлака со скрубберами, работающими с использованием известковой суспензии, может практически полностью ликвидировать указанные выбросы соединений серы. По данным табл.1 видно, что двум предприятиям из трех, работающим на двухкомпонентной шихте, не удается обеспечивать производство агломерата нужной основности (приходится снижать основность агломерата от 1,87-1,79 до 1,23-1,30 не только в связи с уменьшением массовой доли окатышей в доменной шихте).

III. Сталеплавильное производство

По опыту предприятий Украины и особенно многих передовых зарубежных стран, интенсивно и успешно развивающих кислородно-конвертерное и электросталеплавильное производство стали, наилучшие результаты в экологизации этой важнейшей подотрасли возможны: при улучшении ее структуры путем замены мартеновского производства упомянутыми, более прогрессивными способами выплавки стали; рациональном использовании кислорода и специальных видов металлошихты; рафинировании металла в отдельных агрегатах "печь-ковш"; непрерывной разливке металла; использовании тепловой и химической энергии конвертерных газов и отходящих газов электросталеплавильных печей, утилизации материальных отходов и др.

В настоящее время, одной из главных причин продолжения эксплуатации мартеновских печей является то, что замена их дуговыми сталеплавильными печами (ДСП) и конверторами требует больших затрат средств, которыми предприятия страны не располагают. Поэтому эта работа должна вестись планомерно с учетом финансовых возможностей предприятий.

Особое внимание необходимо уделить внедрению современных газоочистных аппаратов, хотя приоритетное значение должны иметь технологические способы повышения эколого-экономической эффективности производства металла. Их использование позволяет сократить на 25…30 % расход энергии и материалов, уменьшить на 30…40 % вредные выбросы, повысить качество готовой металлопродукции.

В особой зоне утилизации материальных и энергетических ресурсов необходимо реализовывать на практик использование в полном объеме сталеплавильных шлаков и шламов. Последние нужно навсегда вывести из аглодоменного производства и организовать их переработку по технологическим схемам безкоксовой металлургии, где кроме окускованных железосодержащих продуктов для сталеплавильного производства получают попутный цинковый, свинцовый концентрат и другие материалы.

Переработка конечных сталеплавильных шлаков, вторичного скрапового, извлеченного из шлака металла должна быть в завершенном объеме реализована на каждом предприятии. И, наконец, трудная проблема закачки в газгольдеры и использования конвертерного газа должна быть в отечественной металлургии решена.

Выводы из данного исследования. Характерной чертой металлургического производства является то, что в регионах расположения металлургических предприятий создается крайне напряженная экологическая обстановка. Повышение экологической безопасности производства должно стать одной из основных задач модернизации основных металлургических переделов. Для экологизации отдельных производств черной металлургии рекомендуется:

- в коксохимическом производстве необходимо сочетать экологичные, ресурсосберегающие технологии коксования предварительно трамбованной шихты и прогрессивного сухого тушения кокса, что позволит сократить выбросы CO и NO_x, H₂S, аммиака, фенольных соединений;

- в аглодоменном переделе - использования высококачественного агломерата и окатышей с содержанием железа, соответственно, не менее 56…58 и 64…65 % со средней степенью офлюсования смеси обоих видов сырья по CaO:SiO₂ равной 1,2…1,25, содержанием мелких фракций в них не более 3…5 %, при обязательном применении кокса высокого качества даст возможность кардинального сокращение расхода углеводородных топлив - восстановителей в доменном производстве Украины до минимального. Также, достичь высокого качества агломерата (главного рудного сырья черной металлургии) возможно только лишь в результате реконструкции устаревших, строительства современных аглофабрик с большими агломерационными машинами и прогрессивными технологическими процессами, гарантирующими одновременное снижение вредных газопылевых выбросов на 30-50 %;

- в сталеплавильном производстве необходимым является улучшении его структуры путем замены мартеновского производства более прогрессивными способами выплавки стали.

Литература

экологизация черный металлургия

1. Грищенко, С.Г. Підсумки роботи ГМК України у 2007 році та плани галузі на 2008 рік // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2008 - № 1. - С. 3-4.

2. Земля тривоги нашої. Стан довкілля у Донецькій області у 2006-2007 роках // Під науковою редакцією С.В. Трет'якова. - Донецьк: "Эпицентр ЛТД".-2007 р - 120 с.

3. Буторина, И.В. Мировые тенденции развития металлургической промышленности // Металлургия и горнорудная промышленность. - 2001. -- № 1.- С. 15-18.

4. Юсфин, Ю.С. Металлургия и окружающая среда // Сборник докладов международной конференции «Пути решения экологических проблем горно-металлургической отрасли стран СНГ». - Мариуполь: ПГТУ, 2002. - С. 20-29.

5. Пипчук, С.И. Некоторые аспекты проблемы качества продукции чёрной металлургии в свете современной экологической ситуации / С.И. Пипчук, С.И. Губенко // Теория и практика металлургии. - 1999. - № 2. - С. 52-55.

6. Пипчук, С.И. Системный анализ природы качества кокса / С.И. Пипчук // Кокс и химия. -2001. - № 8.-С. 12-18.

7. Гагут, Л.Д. Эколого-экономическое обоснование направлений рационального использования железорудного сырья / Л.Д. Гагут. - М., 1997. - 31 с.

8. Шульц, Л.А. Элементы безотходной технологии и металлургия: Учебное пособие для вузов / Л.А. Шульц . - М.: Металлургия, 1997. - 174 с.

9. Утилизация отходов сталеплавильного производства / А.А. Салей, Л.П. Стоянов, О.С. Наумов, А.Л. Сигунов // Металлургия и горнорудная промышленность. - 2002. - № 7.-С. 254-256.

10. Ухмылова, Г.С. Сравнение различных систем коксования с точки зрения современных требований по охране окружающей среды / Г.С. Ухмылова // Черметинформация. Новости черной металлургии за рубежом. - 2005. - № 2. - С. 20-28.

11. Близнюков, А.С. Доменное производство Японии в новом столетии / А.С. Близнюков // Черметинформация. Новости черной металлургии за рубежом. - 2007. - № 4. - С. 22-31.

12. Шаповалова, Н.Г. Основные направления технического перевооружения агломерационного производства в Украине / Н.Г. Шаповалова, С.Н. Гуменная // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2008 - № 1. - С. 9-10.

13. Бычков, С.В. Пыль не в глаза. Комплексная утилизация отходов в условиях действующего производства / С.В. Бычков // Металлургический компас. - 2008 - № 3. - С. 30-33.

Размещено на Allbest.ru