Технологические и экологические аспекты электрометаллургии. Оценка использованием ЭВМ выбросов технологических газов в атмосферу при выплавке стали

     ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ


№ 1092


    МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ и СПЛАВОВ

                  Технологический университет


                                МИСиС



 Кафедра электрометаллургии стали и ферросплавов


 Л.М. Симонян
 А.Е. Семин
 А.Н. Потапочкин





                Технологические и экологические аспекты электрометаллургии




 Оценка с использованием ЭВМ выбросов технологических газов в атмосферу при выплавке стали

 Лабораторный практикум


 Допущено учебно-методическим объединением по образованию в области металлургии в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям Металлургия черных металлов и Металлургия техногенных и вторичных ресурсов




Москва Издательство «УЧЕБА» 2006

УДК 504
    С37



Рецензент
д-р техн, наук, проф. В.П. Лузгин




     Симонян Л.М., Семин А.Е., Потапочкин А.Н.

С37 Технологические и экологические аспекты электрометаллургии. Оценка с использованием ЭВМ выбросов технологических газов в атмосферу при выплавке стали: Лаб. практикум. -М.: МИСиС, 2006. - 94 с.




          Лабораторный практикум предназначен для выработки навыков проведения расчетов при оценке влияния различных технологических факторов на вредные выбросы в атмосферу при выплавке стали с использованием специальных программ и автоматизированной базы данных.
          Предназначен для студентов специальностей 150101 (1101) «Металлургия черных металлов» и 150109 (1109) «Металлургия техногенных и вторичных ресурсов» в рамках дисциплины «Технологические и экологические аспекты электроплавки» и «Прогнозирование выбросов сталеплавильных агрегатов».


















                                    © Московский государственный институт стали и сплавов (технологический университет) (МИСиС), 2006

    СОДЕРЖАНИЕ


Предисловие...............................................5
Лабораторная работа 1. Изучение влияния технологических факторов на выбросы СО из дуговой сталеплавильной печи....6
   1.1. Цель работы.......................................6
   1.2. Теоретическое введение............................6
     1.2.1. Процессы образования и окисления оксида углерода.6
     1.2.2. Факторы, влияющие на выбросы оксида углерода из
     ДСП..................................................9
     1.2.3. Методика расчёта степени дожигания СО в газоходе.... 14
   1.3. Общее описание программы.........................18
   1.4. Порядок проведения работы........................21
   1.5. Требования к отчёту..............................31
   1.6. Контрольные вопросы для тестирования.............31
       Библиографический список..........................33
Лабораторная работа 2. Информационная система СО₂-мониторинга металлургического производства...........34
   2.1. Цель работы......................................34
   2.2. Теоретическое введение...........................34
     2.2.1. Методики и принципы расчетов выбросов СО₂ в черной металлургии................................35
     2.2.2. Структура автоматизированной базы данных
     и порядок ввода данных..............................40
     2.2.3. Просмотр результатов расчетов и отчетов......47
   2.3. Расчетная часть..................................49
   2.4. Требования к отчету..............................51
   2.5. Контрольные вопросы..............................52
       Библиографический список..........................52
Лабораторная работа 3. Расчет металлошихты и выбросов из дуговой сталеплавильной печи..........................53
   3.1. Исходные данные для расчета......................53
   3.2. Расчёт металлошихты..............................55
   3.3. Расчет продолжительности периода плавления и интенсивности продувки кислородом.....................62
   3.4. Определение времени работы печи под током........65
   3.5. Расчет параметров отходящих газов в период плавления.67
     3.5.1. Исходные данные и методика расчета...........67

3

     3.5.2. Вариант расчета 1: с использованием аэродинамических уплотнителей электродных отверстий.....70
     3.5.3. Вариант расчета 2: без использования аэродинамических уплотнителей электродных отверстий.....71
     3.5.4. Расчет дожигания газов в газоотводящем патрубке..75
     3.5.5. Расчет кинетики реакции дожигания СО.........78
     3.5.6. Параметры отходящих газов после дожигания в период плавления..................................80
   3.6. Расчет параметров отходящих газов в период окисления.82
     3.6.1. Вариант расчета 1: с использованием аэродинамических уплотнителей электродных отверстий.....85
     3.6.2. Вариант расчета 2: без использования аэродинамических уплотнителей электродных отверстий.....85
     3.6.3. Расчет дожигания газов в газоотводящем патрубке в период окисления....................................88
     3.6.4. Расчет кинетики реакции дожигания СО в период окисления...........................................90
     3.6.5. Параметры отходящих газов после дожигания в период окисления..................................90
   3.7. Оформление результатов расчетов..................92
   3.8. Требования к отчету..............................93
Библиографический список..........................93

4

    ПРЕДИСЛОВИЕ

   Все лабораторные работы выполняются на ЭВМ.
   Программа для выполнения лабораторной работы 1 разработана Г.Г. Лопатской и представляет собой тренажер, на котором студенты отрабатывают процесс плавки в дуговой сталеплавильной печи (ДСП) конкретной марки стали и изучают влияние различных технологических факторов на выбросы СО.
   Программа для выполнения лабораторной работы 2 разработана Р.М. Мустафиным на основе встроенной в операционную систему Microsoft Access автоматизированной базы данных. Целью этой работы является оценка выбросов СО₂ металлургическими агрегатами, цехами и предприятиями, и их анализ.
   В лабораторной работе 3 приведена методика расчета состава отходящих из ДСП газов в разные периоды плавки. Она может быть использована при проведении практических занятий для более детальной отработки навыков отдельных фрагментов расчетов с целью более глубокого усвоения материала.
   Практикум может быть использован студентами специальности 150109 «Металлургия техногенных и вторичных ресурсов» при изучении курса «Прогнозирование выбросов сталеплавильных агрегатов».
   При написании практикума были использованы материалы дипломных работ Е.А. Васиной, О.Н. Лелевской, Е.А. Пономаревой и О.В. Прозоровой.

5

    Лабораторная работа 1


    ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ВЫБРОСЫ СО ИЗ ДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ
    (2 часа)

    1.1. Цель работы

  Изучить влияние условий проведения плавки на эмиссию оксида углерода из дуговой сталеплавильной печи.

    1.2. Теоретическое введение

1.2.1. Процессы образования и окисления оксида углерода

    Образование СО

  Оксид углерода образуется при горении углеродсодержащего топлива, как с недостатком кислорода, так и с его избытком. В первом случае СО является конечным продуктом, а во втором - промежуточным:
     С,р+ 1/2О₂ = СО, AG⁰ = - 118000- 83,77 ТДж/моль; (1.1) 0^ + 02 = 002, AG⁰ = - 39700+ 0,2 ТДж/моль. (1.2)
  В жидком металле окисление углерода [С] сопровождается образованием большого количества СО. Это - важнейший процесс плавки, влияющий на протекание других физических и химических процессов в ванне. При окислении 0,1 % углерода объём образующегося СО (при 1500 °C) примерно в 100 раз больше объёма металла. Выделение большого количества СО в виде пузырьков через металл и шлак вызывает интенсивное перемешивание каждой из этих фаз. Такое перемешивание усиливает массоперенос в металле и шлаке, а также между этими фазами, увеличивая, таким образом, скорость конвективной диффузии растворенных в них компонентов и, соответственно, скорость протекания реакций, лимитируемых диффузионными явлениями. Перемешивание интенсифицирует также конвек

6

тивную теплопередачу в ванне и способствует лучшему усвоению тепла. Всплывающие пузырьки СО способствуют удалению из стали неметаллических включений, растворённых в металле водорода и азота.
   Взаимодействие углерода с кислородом является сложным гетерогенным процессом, включающим несколько стадий, основными из которых являются:
   -    конвективная диффузия кислорода в металле к месту развития химической реакции;
   -    акт самой химической реакции в металле;
   -    зарождение новой газообразной фазы пузырьков СО, образующейся в результате реакции;
   -    удаление пузырьков СО из металла в печную атмосферу.
   Суммируя все эти стадии, процесс взаимодействия углерода с кислородом можно описать уравнением
[С] + [О] = СО.                   (1.3)

   Термодинамическая характеристика этой реакции в железе при стандартных условиях имеет следующий вид:
              AG⁰ = - 118000- 83,77 ТДж/моль.            (1.4)
   Из уравнения (1.4) следует, что окисление углерода растворенным кислородом сопровождается выделением тепла и поэтому полнее протекает при пониженной температуре. С другой стороны, скорость окисления углерода увеличивается при повышении температуры.

    Дожигание СО

   При наличии в печной атмосфере избытка кислорода в результате подсасывания воздуха или при продувке ванны кислородом происходит дожигание образовавшегося СО до СО₂ в соответствии с уравнением реакции

      СО + |о₂ =СО₂, AG⁰ = -279000 + 83,97 ТДж/моль. (1.5)

   Значения константы равновесия реакции (1.5) приведены в табл. 1.1.

7

Таблица 1.1

Значения константы равновесия реакции (1.2) при различных температурах

 Температура, К     500      1000    1500   2000 2500
тт _    РсО 2____ 1,1-1025 1,7-1010 2,1-105 766   28 
   Р~ PeoCPoJ2                                       

   Таким образом, если температура процесса не превышает 2000 К, то при избытке кислорода СО практически полностью переходит в СО₂. При недостатке кислорода содержание оксида углерода в продуктах сгорания возрастает, причем равновесная концентрация СО существенно зависит от температуры.
   Предполагают, что наибольшая скорость окисления СО до СО₂ достигается в реакции с участием гидроксильного радикала:
СО + ОН = СО₂ + Н.                     (1.6)
   Существенный вклад в образование ОН вносит реакция
Н + Н₂О = Н₂ + ОН.                     (1.7)
   Реакциями (1.6) и (1.7) определяется скорость конверсии СО, описываемой уравнением
СО + Н₂О = СО₂ + Н₂.                   (1.8)
   Значения константы равновесия реакции (1.8) при различных температурах приведены в табл. 1.2.
Таблица 1.2

Значения константы равновесия реакции конверсии при различных температурах

Температура, К 500 1000 1500 2000
      Кр       138 1,44 0,39 0,22

   Видно, что с понижением температуры степень равновесного превращения оксида углерода в СО₂ увеличивается. Однако скорость реакции с понижением температуры значительно уменьшается, что практически исключает достижение равновесия реакции конверсии СО. При этом лимитирующей стадией процесса является образование ОН. Уменьшение выхода ОН при низких температурах приводит к торможению реакции конверсии СО.

8

  Источником ОН в присутствии свободного кислорода может быть реакция
Н + О₂=ОН + О.                   (1.9)
  На основании результатов многих исследований было показано, что скорость реакции окисления СО пропорциональна величине (Н₂О)⁰,⁵ и при содержании в газовой фазе О₂ более 6 % не зависит от концентрации О₂. В увлажненной смеси при 800 К на сгорание СО требуется более 10 с, при 1000 К СО практически полностью сгорает в течение 0,5 с, при 1500 К - в течение 0,02 с. Сухая смесь СО с О₂ практически не вступает в реакцию.
  Таким образом, при низких температурах (менее 1000 К) процесс окисления СО до СО₂ протекает весьма медленно, что может быть причиной высокого содержания СО в присутствии Н₂О, О₂ и СО₂, хотя, если исходить из термодинамики процесса, СО должен был сгорать полностью. При температурах, больших 1000 К, основным лимитирующим звеном в процессе окисления является скорость подвода окислителя в зону горения, т.е. скорость смешивании газов.

1.2.2. Факторы, влияющие на выбросы оксида углерода из ДСП
  Факторы, влияющие на выбросы оксида углерода, представлена на рис. 1.1.


Рис. 1.1. Схема влияния технологических факторов на выбросы СО

9

   Среди факторов, влияющих на выбросы СО из дуговой сталеплавильной печи, в качестве основных можно выделить следующие:
   - содержание углерода в шихте;
   - применение горелок для ускорения расплавления шихты;
   -    способ подачи в печь недостающего для получения пенистого шлака углерода (инжекция углерода, подача углерода в завалку и т.д.);
   - расход электродов;
   - степень дожигания отходящих газов;
   - горение в воздушном зазоре;
   - конструкция газоотводящих труб;
   - подсос воздуха.

    Дожигание СО в рабочем пространстве печи

   Известно, что дожигание СО до СО₂ в рабочем пространстве происходит за счёт кислорода воздуха, подсосанного в электродные отверстия и проём рабочего окна, и за счёт кислорода, вдуваемого в печь при помощи водоохлаждаемых фурм.
   Для успешной реализации дожигания в печи отходящих газов необходимо соблюдать три немаловажных условия:
   во-первых, организовать эффективное перемешивание дожигаемых газов с подаваемым в печь кислородом, в том числе доставку газов из объёма жидкой ванны к месту реакции;
   во-вторых, продукты дожигания не должны контактировать с восстановителями, т. е. с металлошихтой, жидким металлом, электродами, вводимым в шлак углеродом;
   в-третьих, реализовать эффективную передачу тепла, выделяющегося в результате дожигания, шихте или ванне.

   Дожигание СО в дымовом газоходе
   Управление отсосом печных газов (тягой печи)
   На рис. 1.2 показана схема газоотсоса дуговой сталеплавильной печи.
   Технологические газы под действием тяги дымососа отводятся из рабочего пространства печи через отверстие I в своде печи и сводовый водоохлаждаемый патрубок 2.
   Из сводового патрубка дымовые газы поступают в стационарный водоохлаждаемый патрубок 3. Для уплотнения зазора между сводовым и стационарным патрубками устанавливается накатная муфта 4. В стационарном патрубке 3 осуществляется дожигание оксида угле


10