Доменные шлаки: образование, методы утилизации и расчет выбросов загрязняющих веществ

Тип работы: Курсовая работа
Бесплатно: Антиплагиат
Объем: 22 страниц
В избранное:

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Казахский национальный технический университет имени К. И. Сатпаева

Кафедра «Прикладная экология»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине: «Утилизация, обезвреживание и захоронение отходов производства»

Тема: Отходы черной металлургии «Доменные шлаки»

Проверил:

Доктор технических наук, профессор

С. С. Нуркеев

Студент: А. С. Бесчетный

Специальность: 050608

Группа: ЭГб-04-2р

Алматы 2007

СОДЕРЖАНИЕ

Введение. ………. 3

Получение чугуна . . . …. …… . . . …. . 4
Образование шлака . . . ………. . . . 7
Методы переработки доменных шлаков . . . ……. ………8
Расчет ПДВ (условие) . . . . . 11

4. 1 Определение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу…. . … . . . 12

4. 2 Расчет пылеулавливающего оборудования………. . ……15

4. 2. 1 Расчет полого скруббера (ПС) . ……. . 15

4. 2. 2 Расчет пенного аппарата (ПА) . ……. . 18

4. 3 Категория опасности предприятия (КОП) . …… . . . 22

4. 4 Расчет рассеивания. ……. 23

Список литературы . . . . . . . 27

Введение

Одним из важнейших направлений ресурсосберегающей деятельности является эффективное использование отходов производства. Среди различных факторов, определяющих их рациональное применение, важную роль играют организационные, в том числе система управления ресурсопотреблением, которой, к сожалению, лишь на немногих заводах уделяется внимание. До 60 млн. т накопленных в отвалах отходов зол, шлаков, отработанных катализаторов, гальвано-нефтешламов могут быть использованы в строительной индустрии, однако, на сегодняшний день этот вопрос не находит практического разрешения. Применение несовершенных технологий гальванопокрытий, других видов металлообработки, приводит к значительным потерям дефицитных цветных металлов и к резкому увеличению токсичности вывозимых на свалку отходов. По этой причине ежегодно сотни тысяч тонн осадков городских очистных сооружений становятся непригодными для использования в качестве удобрений, и требуют надежного обезвреживания, захоронения.

1. Получение чугуна

Для производства чугуна в доменных печах необходимо иметь следующие исходные материалы: железные руды, топливо и флюсы. Эти исходные материалы называются шихтой.

Железные руды представляют собой оксиды и карбонаты железа, и другие соединения. Оксиды: Fe ₂ O ₃ -красный железняк, Fe ₃ O ₄ -магнитный железняк,

Fe ₂ O ₃ ·пH ₂ O-бурый железняк.

Карбонаты: FeСО ₃ -шпатовый железняк.

Топливом для доменной плавки служит кокс продукт сухой перегонки каменного угля.

Как частичные заменители кокса могут быть использованы природный газ, мазут или пылевидное топливо.

В качестве флюса используют известняк CaCO ₃ или доломитизированный известняк nCaCO ₃ ·mMgCO ₃ .

Пустая порода вместе с флюсами образует жидкий шлак. Флюс придает шлаку необходимые состав и свойства, благодаря чему обеспечиваются заданный режим работы печи и очистка чугуна от серы.

При сжигании топлива в доменной печи первым процесс является сгорание углерода.

2С+О ₂ =2СО+Q

Второй процесс характеризуется восстановлением железа, марганца кремния фосфора серы и других элементов. Восстановителями являются СО, Н ₂ (образующийся в результате воздействие углерода на влагу дутья в виде водяного пара) и твердый углерод С.

3 Fe ₂ O ₃ +СО=2Fe ₃ O ₄ + СО ₂ +Q;

Fe ₃ O ₄ + СО=3FeО+СО ₂ -Q;

FeО+ СО=Fe+ СО ₂ +Q.

Восстановленное в доменной печи железо активно поглощает углерод (науглероживается)

также капли жидкого металла интенсивно взаимодействуют с углеродом при контакте с раскаленным коксом.

3Fe+2CO= Fe ₃ C+ СО ₂ +Q;

3Fe + С= Fe ₃ C.

Насыщенное углеродом железо имеет пониженную (до 1150…1200ºС) в сравнении с чистым железом (1539ºС) температуру плавления. Выделяется чугун.

Марганец восстанавливается твердым углеродом.

MnO+C=Mn+CO-Q

MnSiO ₃ +CaO+C=Mn+CaSiO ₃ +CO-Q

Восстановление кремния осуществляется по реакции.

SiО ₂ +2C=Si+2CO-Q

В доменном процессе удалению серы из металла придается большое значение.

FeS+CaO+C=CaS+Fe+CO.

7 8

Рисунок доменной печи

1 шлаковая летка, 2 лещадь, 3 горн, 4 чугунная летка, 5 шахта, 6 выпуск газов, 7 вагонетка, 8 наклонный мост.

Таким образом, в результате процессов восстановления окислов железа, растворения в железе С, Mn, Si, P, S в печи образуется чугун. В нижней части печи образуется шлак в результате с плавления окислов пустой породы руды, флюсов и золы топлива. По мере скопления чугуна и шлака их выпускают из печи. Чугун выпускают через 3-4 ч., а шлак через 1, 0-1, 5 ч. Чугун выпускают через чугунную летку, а шлак через шлаковую летку.

Науглероживание железа

Восстановленное в доменной печи из руды железо поглощает углерод и другие элементы, образуя чугун. Процесс науглероживания железа начинается с момента его появления в виде твердой губки в зоне умеренных температур. Механизм науглероживания железа сводится к следующему. Свежевосстановленное железо служит катализатором реакций разложения оксида углерода на сажистый углерод и диоксид углерода. Эта реакция протекает на поверхности губки. Обладая повышенной химической активностью, сажистый углерод взаимодействует с атомами железа и образует карбиды железа. Науглероживание губчатого железа уже заметно протекает при 400 - 500° С. По мере науглероживания железа температура плавления его понижается. Если чистое железо плавится при 1539° С, то сплав железа с углеродом, содержащий 4, 3 % С, плавится при 1135° С. Однако науглероживание железа в твердом состоянии является лишь начальной стадией этого процесса, способствующей понижению температуры плавления металла. Более интенсивно науглероживание протекает после перехода металла в жидкое состояние. Капли металла, стекая в горн печи, контактируют на поверхности кусков раскаленного кокса с углеродом, в результате чего содержание углерода в сплаве резко возрастает. На горизонте фурм за пределами зон горения содержание углерода в чугуне достигает 3, 8 - 4, 0%. Окончательное науглероживание металла происходит в горне печи.

Переход других элементов в чугун (марганца, кремния, фосфора и серы) осуществляется по мере их восстановления на различных горизонтах рабочего пространства печи. Марганец при выплавке передельного чугуна заметно переходит в металл уже в распаре, однако наиболее интенсивное насыщение чугуна марганцем происходит в заплечиках и горне при восстановлении марганца. Основная масса кремния переходит в чугун в нижней части заплечиков и в горне. Содержание фосфора в пробах металла из распара почти такое же, как и в конечном чугуне, а иногда и выше. Это объясняется тем, что в металл из распара, попадает не только фосфор, который восстановился здесь и выше, но и фосфор, возгоняющийся из нижних горизонтов печи. Фосфор начинает переходить в металл уже в нижней части шахты.

Окончательное содержание углерода в чугуне не поддается регулированию и зависит от элементов в сплаве. Марганец и хром, являясь корбидообразующими элементами, способствуют увеличению содержания углерода в чугуне. Кремний и фосфор, образуя более прочные с железом соединения, разрушают карбиды железа и понижают содержание углерода в чугуне. Если в передельном маломарганцовистом чугуне содержится 4 - 4, 6% углерода, то в зеркальном чугуне, содержащем 10 - 25 % марганца, углерода содержится 5 - 5, 5 %, а в 75 %-ом ферромарганце содержание углерода достигает 7 - 7, 5 %. Наоборот, в литейном чугуне, содержащем 2, 5% кремния, содержание углерода не превышает 3, 5 %, а в ферросилиции содержание углерода понижается до 2 % и ниже.

Содержание марганца и кремния сильно влияет на структуру чугуна, что имеет очень важное значение при производстве литейного чугуна, используемого в машиностроении. Известно, что углерод в чугуне может находиться в химически связанном состоянии в виде карбида и в свободном состоянии в виде графита. В литейном чугуне благодаря повышенному содержанию кремния значительная часть углерода находится в виде графита, что способствует повышению прочности отливок. В изломе такой чугун имеет серый цвет. Увеличение содержания карбидов железа в чугуне повышает его хрупкость. В изломе такой чугун имеет белый цвет. Качество чугуна для отливок также зависит и от условий выплавки чугуна в доменной печи.

2. Образование шлака

В доменной печи шлак образуется под действием высоких температур в результате плавления пустой породы железосодержащих материалов и флюса, к которым в горне присоединяется зола сгоревшего кокса. Шлакообразующими оксидами являются SiO ₂ , CaO, MgO, Al ₂ O ₃ , FeO, MnO, а также сульфиды металлов, преобладающим из которых является CaS.

Образованию шлака предшествуют процессы размягчения и спекания пустой породы и флюса, сопровождающиеся образованием твердых растворов и различных химических соединений. Эти процессы представляют собой промежуточное звено при переходе вещества из твердого состояния в жидкое. Чем больше температурный интервал, в котором протекает превращение шлакообразующих компонентов из твердого состояния в жидкое, тем большую часть по высоте печи занимает вязкая масса, заполняющая пустоты между кусками кокса и препятствующая движению и распределению газов. В связи с этим температурный интервал размягчения шлакообразующих компонентов должен быть по возможности меньшим.

В процессе шлакообразования различают первичный, промежуточный и конечный шлаки. Первичный шлак появляется в начальной стадии шлакообразования в результате плавления легкоплавких соединений. Первичный шлак, перемещаясь в зоны с более высокими температурами, нагревается, а химический состав его непрерывно изменяется в следствии восстановления железа и марганца из соответствующих оксидов и растворения в шлаке новых количеств CaO и MgO, увеличивающих количество шлака. Конечный шлак образуется в горне после растворения в шлаке золы сгоревшего кокса и остатков извести и окончательного распределения серы между чугуном и шлаком.

С применением офлюсованного агломерата условия шлакообразования изменяются. Присутствие извести в агломерате обеспечивает хороший контакт шлакообразующих оксидов, по этому их размягчение при нагреве и образование первичного шлака протекает в сравнительно не большой зоне по высоте печи, от чего значительно повышается газопроницаемость этой зоны. Восстановление железа из офлюсованного агломерата протекает интенсивнее и равномернее по сечению, вследствие чего в первичном шлакообразовании участвует меньшее количество FeO, а зона начала образования шлака смещается в область более высоких температур.

3. Методы переработки доменных шлаков

1. Гидрожелобной способ грануляции. Жидкий шлак сливают в гидрожелоб, куда подается через гидронасадку вода под давлением 700 кПа. Шлак дробится струей воды и застывает в виде гранул. Образующийся пар локализуется в паросборнике и отводится в вытяжную трубу, а шлаковая пульпа самотеком поступает на площадку предварительного обезвоживания, где с помощью грейферного крана формируются бурты шлака высотой до 3 м. Отделившаяся здесь вода самотеком поступает в отстойник, а далее насосом вновь направляется на грануляцию. Влажность предварительно обезвоженного шлака составляет порядка 12% и спустя 1-2 суток снижается до 8-10%, после чего его можно отгружать потребителям.

Недостатками этого способа грануляции выступают низкая производительность, коррозия аппаратуры, сложность утилизации теплоты шлака.

2. Бассейновый способ грануляции. Грануляцию осуществляют путем слива расплавленного шлака в секционный бассейн с водой. Из бассейна шлак извлекают грейферным краном и обезвоживают, как описано выше.

Недостатки этого метода - невозможность утилизации тепла, повышенная влажность получаемого шлака, тяжелые условия труда.

3. Барабанная грануляция. Шлак сливается в желоб, куда одновременно поступает вода, частично охлаждающая и вспучивающая шлак. Затем шлак подают на полый барабан, снабженный лопастями и вращающийся со скоростью 250-300 об/мин. Окончательное затвердевание гранул шлака происходит в воздухе при их отбрасывании лопастями барабана на складскую площадку. Регулируя подачу воды, можно получить гранулят с невысокой влажностью (3-5%) .

4. Переработка шлака методом намораживания. Метод намораживания шлака на охлаждаемые вращающиеся элементы, имеющие форму тел вращения.

При контакте охлаждаемой поверхности с расплавом в ходе прохождения барабана через ванну в процессе, его вращения, на поверхности барабана намораживается слой твердого продукта, который при выходе из ванны увлекает жидкую пленку за счет адгезии. Увлеченный слой в дальнейшем затвердевает, образующийся слой непрерывно снимается ножом и сбрасывается в приемную емкость. Ножи укрепляются в нижней части или сбоку барабана на опорной раме с прижимом с помощью пружины или жестких упоров. Теплопередача от расплава к теплоносителю (воде или пароводяной смеси) осуществляется через разделительную стенку, на которой и протекает затвердевание.

5. Производство шлаковой пемзы. Шлаковая пемза применяется в качестве заполнителя легких бетонов и представляет собой зерна шлака неправильной формы с шероховатой поверхностью, крупностью до 40 мм и пористостью 30-80%. Насыпная плотность составляет 250-1200 кг/м .

Одним из способов производства шлаковой пемзы является водо-воздушный, согласно которому шлак сливается в приемную шлаковую ванну, откуда подается в гранулятор, охлаждаемый водой. Слив шлака производится при непрерывной подаче воздуха для вспучивания расплава. Окончательное затвердевание кусков пемзы происходит в процессе их выбрасывания из выхлопного отверстия гранулятора.

6. Производство шлаковой ваты. Шлаковая вата представляет собой высокопористый материал, состоящий из тонких и гибких стекловидных волокон, 80-90% которых имеют диаметр менее 7 мкм, длину от 2 до 10 мм. Шлаковая вата является эффективным теплоизолятором и изготовляется в виде матов, жгутов, войлока, плит. Получают ее из расплава дутьевым, центробежным (наиболее экономичным) и центробежнодутьевым способами.

Шлаковая вата должна иметь влажность не более 2%, содержать не более 1, 5% серы и иметь модуль кислотности 1, 2.

При необходимости в шлаковый расплав вводят корректирующие добавки. Кроме SiO2, AI2O3, СаО, МgО компонентами, входящими в состав ваты, могут быть оксиды железа, марганца, щелочных металлов, фтор, сера и др. (в зависимости от состава исходного шлака) .

Расплавленный шлак заливается в ванную печь, куда для увеличения модуля кислотности добавляют бой стекла. Разогретый в печи до 1400 °С гомогенный расплав через летку подается на ротор центрифуги и под действием центробежных сил превращается в волокна. Сюда же подают водный раствор мономеров фенолформальдегидных смол, которые играют роль связующего. Образовавшиеся волокна, пропитанные связующим, осаждаются на движущейся сетке в камере волокнообразования в виде шлаковатного ковра, который затем попадает в камеру полимеризации, где при повышенной температуре происходит поликонденсация мономеров в результате чего связующее теряет растворимость в воде и переходит в твердое состояние (фенолформальдегидную смолу), склеивая волокна между собой. После охлаждения шлаковатный лист разрезается и упаковывается в водонепроницаемую бумагу и далее отправляется потребителю.

7. Производство шлакоситаллов. Шлакоситаллы - стеклокристаллические материалы, состоящие из различных кристаллов различных минералов (размером от долей до нескольких мкм) в сочетании с остаточным стеклом (менее 40% по объему) . Шлакоситаллы характеризуются высокой химической устойчивостью, жаростойкостью, прочностью, стойкостью к истиранию. Их изготавливают в виде непрерывной ленты и прессованных плит. Окрашены в массе в белый и серый цвет. Изделия из шлакоситаллов применяют в строительстве, химической, горнорудной и других отраслях промышленности.

Уникальный комплекс свойств стеклокристаллических материалов обусловлен однородной микрокристаллической структурой, состоящей на 70-90% из кристаллов различных минералов очень малых размеров, скрепленных небольшим количеством стекла. Такая структура способствует предотвращению образования в материале напряжений, микротрещин, т. к. мелкие кристаллы содержат меньше дефектов по сравнению с крупными.

Именно мелкозернистость ситаллов в значительной мере сообщает им повышенные механические свойства. Физико-химические свойства определяются фазовым составом - природой кристаллов и стеклофазы.

По виду основной кристаллической фазы, шлакоситаллы бывают воллостонитовые, анортитовые, форстеритовые и др. Волластониговые шлакоситаллы получены на основе доменного шлака. Кристаллизаторами для велластонитовых шлакоситаллов являются сульфиды железа, марганца или цинка, фториды.

Основу химического состава ситаллов формируют несколько оксидов - SiO2, AI2O3, CaO, MgO, FeO, Fe2О3, суммарное количество которых достигает 90%.

Варка шлаксситалловых стекол осуществляется при 1500 'Си интенсивном перемешивании. Для предварительной варки шлакоситаллов наиболее целесообразно использовать конвертор, в котором происходит смешивание жидкого шлака с корректирующей шихтой, разогрев и гомогенизация полученной массы. Разогрев осуществляется пламенем горелок, находящихся в расплаве, в связи с чем тепло используется наиболее эффективно и идет интенсивное перемешивание расплава, так же обеспечивается возможность регулирования окислительно-восстановительных процессов внутри стекломассы. Полученный расплав, заполненный более чем на 60% объема газовыми пузырьками размером порядка 2 мм, отводится из конвертора через сливное приспособление в ванную печь. Здесь при температуре более 1500 ^О С интенсивно происходит процесс осветления расплава и его дополнительное усреднение вследствие выделения газовых пузырьков. Специфическим условием процесса является необходимость поддержания восстановительной среды в печи в начале процесса варки и слабо-окислительной - в конце его, что достигается изменением соотношения воздуха и газа в горелках печи.

Из ванной печи расплав питателями подается в прокатные станы, где формируется лента ситалла. Возможно также применение штамповки, дутья, литья и т. д. для изготовления различных изделий. После этого изделия направляются в кристаллизаторы, где с помощью электрического или газового обогрева поддерживается температура, соответствующая заданным режимам кристаллизации. Чаще всего используется двухступенчатый режим термообработки. Первая ступень соответствует температуре максимальной скорости образования центров кристаллизации в стекле, а вторая - максимальной скорости роста кристаллов. После кристаллизации изделия или полотно шлакоситалла охлаждаются, лента разрезается, а затем готовая продукция сортируется.

Расчет ПДВ

Задание:

Высота источника выброса, (Н, м)

1: 2

Высота источника выброса, (Н, м): Диаметр источника выброса, (d, м)

25: 1, 0

1: 3

Высота источника выброса, (Н, м): Годовое количество рабочих часов в год

25: 3200

1: 4

Высота источника выброса, (Н, м): Количество очищаемого газа, (V0, м ³ /ч)

25: 18000