plik Adobe PDF / Get full paper - Adobe PDF file

KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN – ODDZIAŁ W POZNANIU
Vol. 28 nr 1
Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji
2008
ANDRZEJ MODRZYŃSKI*, KRZYSZTOF GRZEŚKOWIAK**,
MAGDALENA SUCHORA***
EMISJA PYŁÓW I GAZÓW W PROCESIE TOPIENIA
STOPÓW ŻELAZA W ODLEWNIACH
W artykule dokonano oceny emisji szkodliwych zanieczyszczeń z agregatów metalurgicznych
stosowanych do wytapiania stopów żelaza w odlewniach. Szczegółowej ocenie poddano takie
parametry, jak emisja pyłów i gazów w czasie procesu. Na podstawie przedstawionych danych
sformułowano ogólne wytyczne doboru takich agregatów metalurgicznych do topienia stopów
żelaza w odlewniach, których zastosowanie pozwoli na ograniczenie emisji pyłów i gazów.
Słowa kluczowe: emisja zanieczyszczeń, stopy żelaza, piece
1. TOPIENIE STOPÓW ŻELAZA
Do podstawowych pieców stosowanych do wytapiania stopów żelaza w odlewniach można zaliczyć:
– do wytapiania staliwa:
a) piece elektryczne łukowe o wyłożeniu ogniotrwałym zasadowym
i kwaśnym,
b) piece elektryczne indukcyjne bezrdzeniowe;
– do wytapiania żeliwa:
a) żeliwiaki z zimnym dmuchem,
b) żeliwiaki z podgrzewanym dmuchem,
c) żeliwiaki kampanijne z podgrzewanym dmuchem,
d) żeliwiaki bezkoksowe,
e) piece obrotowe (bębnowe),
f) piece indukcyjne bezrdzeniowe.
Podczas opracowywania niniejszego artykułu korzystano z danych opublikowanych w raporcie Institute for Prospective Technology Studies (Sevilille –
Spain) [7]. Koncepcja ograniczenia emisji zanieczyszczeń w postaci pyłów
*
Dr hab. inż.
Dr inż.
***
Mgr inż.
**
Instytut Technologii Materiałów Politechniki Poznańskiej.
104
A. Modrzyński, K. Grześkowiak, M. Suchora
i gazów do środowiska jest oparta na idei najlepszych dostępnych technik (NDT-BAT).
2. WYTAPIANIE STALIWA
2.1. Piec elektryczny łukowy
Wytapianie staliwa węglowego i stopowego w piecach elektrycznych łukowych jest jedną z dominujących technologii stosowanych w odlewniach. W nowoczesnych piecach elektrycznych łukowych o wyłożeniu zasadowym do wytopienia 1 Mg staliwa i przegrzania go do temperatury spustu zużywa się 500–600
kW⋅h. Moc podawana na 1 Mg wsadu wynosi średnio około 500 kV⋅A, co pozwala osiągnąć czas topienia około 1,5 h/Mg wsadu. Zużycie elektrod w czasie topienia zwykle mieści się w granicach 3 – 10 kg/Mg staliwa i zależy od gatunku wytwarzanego staliwa i sposobu prowadzenia wytopu. W tablicy 1 zestawiono materiały wsadowe i produkty wytapiania staliwa w tego typu jednostkach.
Tablica 1
Piec elektryczny łukowy zasadowy – materiały wsadowe i produkty
Basic electric arc furnace – charge materials and products
Materiały wsadowe
Wsad metalowy (złom stalowy zewnętrzny,
złom staliwny obiegowy, surówka)
Żelazostopy, pierwiastki stopowe
Topniki (wapno palone, fluoryt)
Energia elektryczna
Tlen gazowy
Elektrody grafitowe
Produkty
staliwo
pyły
NOx, CO2, CO
organiczne zanieczyszczenia typu HC
tlenki metali
żużel
zużyte materiały ogniotrwałe
Emisja pyłów według danych z literatury [3] wynosi 2–20 kg/Mg wsadu
(średnio 5–8 kg/Mg). Największą emisję pyłów obserwuje się w początkowym
okresie topienia, w czasie utleniania węgla oraz w czasie doładowania pieca.
Rozmiar cząstek pyłów mieści się w granicach 1 – 100 μm, a frakcja o rozmiarach 3 – 5 μm stanowi około 50%. Skład chemiczny cząstek pyłów przedstawiono w tablicy 2.
Skład chemiczny pyłów emitowanych z pieca w czasie procesu zależy od gatunku wytwarzanego staliwa. Podczas wytapiania staliwa węglowego nie obserwuje się w pyłach związków chromu i niklu, natomiast występują one podczas
wytapiania staliwa odpornego na korozję. Skład chemiczny pyłów jest także
silnie uzależniony od rodzaju złomu stanowiącego podstawowy składnik wsadu
metalowego.
Emisja pyłów i gazów w procesie topienia stopów żelaza w odlewniach
105
Tablica 2
Skład chemiczny cząstek pyłów [3]
Chemical composition of dust [3]
Substancja
FeO+Fe2O3
SiO2
CaO
MgO
ZnO
Cr2O3
MnO
Straty prażenia
Udział [% mas.]
Substancja
Udział [% mas.]
30–60
5–35
1–15
0–15
0–16
0–8
2–10
0–4
Al2O3
MoO3
NiO
Pb
Cd
TiO2
V2O5
–
0–5
<1
<1
<1
<0,01
<0,05
<0,05
–
Zastosowanie odpowiedniego systemu odciągu gazów i pyłów wydzielających się z pieca w czasie trwania procesu pozwala oddzielić około 98% pyłów.
Wydzielające się gazy i pyły są następnie kierowane do systemu filtrującego
(filtry workowe), gdzie następuje ich oczyszczenie. Pozwala to ograniczyć emisję pyłów do poziomu 10 mg/m3 (w warunkach normalnych). Skład chemiczny
gazów emitowanych w czasie procesu zestawiono w tablicy 3. Średni skład
chemiczny żużla z procesu wytapiania staliwa w piecu elektrycznym podano
w tablicy 4.
Tablica 3
Skład chemiczny gazów emitowanych podczas wytopu staliwa w piecu elektrycznym łukowym [1]
Chemical composition of waste gases from electric arc furnace [1]
Przepływ
Ilość
Pojemność
gazów przez Typ filtra pyłów
pieca [Mg]
filtr [m3/h]
[mg/m3]
10–50
16000–
38000
workowy
1–4
CO
NOx
HF
O2
SO2
[mg/m3] [mg/m3] [mg/m3] [mg/m3] [% obj.]
0–1
0–200
5–50
0–0,1
20
Tablica 4
Wartość średnia składu chemicznego żużla i granice zmian zawartości jego komponentów [10]
Average chemical composition of slag and boundary level of its changes [10]
Składnik
Zawartość średnia
[% mas.]
Przedział
zmian
[% mas.]
Składnik
Zawartość średnia
[% mas.]
Przedział
zmian
[% mas.]
SiO2
CaO
MgO
Al2O3
36,2
12,4
22,1
8,4
28,6–41,8
7,2–17,7
18,3–27,0
7,4–0,1
FeO
MnO
TiO2
Na2O+K2O
0,7
14,8
1,2
0,4
0,5–1,0
4,0–29,6
0,39–2,7
0,21–0,80
106
A. Modrzyński, K. Grześkowiak, M. Suchora
2.2. Piec indukcyjny bezrdzeniowy
W tablicy 5 zestawiono materiały wsadowe i produkty wytapiania staliwa
w piecu indukcyjnym bezrdzeniowym.
Tablica 5
Piec elektryczny indukcyjny kwaśny – materiały wsadowe i produkty
Acid induction furnace – charge materials and products
Materiały wsadowe
Wsad metalowy (złom stalowy zewnętrzny,
złom staliwny obiegowy, surówka, opiłki
i wióry)
Żelazostopy, pierwiastki stopowe
Topniki (wapno palone, fluoryt, piasek kwarcowy, stłuczka szklana)
Energia elektryczna
Środki nawęglające
Woda chłodząca wzbudnik
Produkty
staliwo i żeliwo
pyły
opary organiczne i metaliczne
tlenki metali
CO
żużel
zużyte materiały ogniotrwałe
Piece indukcyjne bezrdzeniowe zużywają do wytopienia 1 Mg żeliwa i przegrzania do temperatury 1450°C około 600 kW⋅h wsadu. W zależności od rozwiązań konstrukcyjnych i rodzaju topionego stopu żelaza zużycie energii może
wynosić 520 – 800 kW⋅h/Mg wsadu.
W czasie prowadzenia wytopów obserwuje się emisję pyłów zwykle w ilości
0,04 – 3,0 kg/Mg wsadu. Rozmiar emitowanych cząstek mieści się w granicach
1 – 100 μm, z czego cząstki o wymiarach 10 – 20 μm stanowią około 50% całkowitej masy emitowanych pyłów.
Ponieważ w literaturze technicznej brak jest informacji o składzie pyłów emitowanych przez piec indukcyjny w czasie wytapiania staliwa, można w uproszczeniu założyć, że jest on zbliżony do składu pyłu emitowanego podczas wytapiania żeliwa. W tablicy 6 podano skład chemiczny emitowanych pyłów w
przypadku topienia żeliwa.
Emisja gazów podczas wytapiania żeliwa i staliwa w tego typu jednostkach
jest zdecydowanie mniejsza niż w żeliwiakach. W piecu indukcyjnym, dzięki
systemowi odciągu gazów i pyłów, jest możliwość przejęcia przez system odpylający ponad 95% wydzielanych pyłów. Dzięki temu emisję pyłów można ograniczyć do wartości 5 mg/m3 (w warunkach normalnych). Skład chemiczny emitowanych gazów podano w tablicy 7.
Ładowanie do zimnego pieca zaoliwionego wsadu i wiórów powoduje wzrost
zawartości par substancji organicznych w gazach odlotowych. Dodawanie tych
składników w czasie procesu jest bardzo niebezpieczne, ponieważ może spowodować wyrzucanie porcji ciekłego metalu z tygla ogniotrwałego.
Emisja pyłów i gazów w procesie topienia stopów żelaza w odlewniach
107
Tablica 6
Skład chemiczny cząstek pyłów [3]
Chemical composition of dust particles [3]
Substancja
Udział [% mas.]
FeO+Fe2O3
SiO2 (w zależności od wyłożenia pieca)
MnO
Al2O3 (w zależności od wyłożenia pieca)
CaO
ZnO (w zależności od jakości wsadu)
Tlenki metalowe (zależne od materiałów wsadowych)
Straty prażenia
30–70
5–25
<5
3–10
<1
<5
<0,1
0–10
Tablica 7
Skład chemiczny gazów emitowanych podczas wytopu stopów żelaza w piecu elektrycznym
indukcyjnym [1]
Chemical composition of gases emited from a induction furnace during melting iron alloys [1]
Przepływ
Pojemność
Ilość
SO2
CO
NOx
HF
O2
gazów
pieca
Typ filtra pyłów
[mg/m3] [mg/m3] [mg/m3] [mg/m3] [% obj.]
przez filtr
3
[Mg]
[mg/m ]
[m3/h]
10
160 000
workowy
1,0
1,0
200
5,0
0,1
20
Ilość żużla powstającego w czasie wytopu jest uzależniona od czystości wsadu metalowego (zwykle 10–20 kg na megagram wsadu). Ponieważ do topienia
stopów żelaza najczęściej stosowane są piece z kwaśnym wyłożeniem ogniotrwałym, średni skład chemiczny żużli z tych pieców przedstawiono w tablicy 8.
W odlewniach stopów żelaza, szczególnie w odlewniach żeliwa, indukcyjne
piece kanałowe są używane jako piece przetrzymujące. Są one także wykorzystywane w procesach dupleks (żeliwiak – piec indukcyjny) do przetrzymywania
i homogenizacji wytapianego metalu. W piecach tego typu zużycie energii wynosi 20 – 80 kW⋅h/Mg ciekłego metalu w produkcji ciągłej.
Tablica 8
Typowy skład chemiczny żużla podczas wytapiania stopów żelaza w piecu indukcyjnym
o wyłożeniu ogniotrwałym kwaśnym [9]
Typical chemical composition of slag from an acid induction furnace [9]
Związek
Udział [% mas.]
Związek
Udział [% mas.]
SiO2
FeO
Al2O3
40–70
10–30
2–15
MnO
CaO
MgO
2–10
0–3
0–3
108
A. Modrzyński, K. Grześkowiak, M. Suchora
2.3. Żeliwiak
W tablicy 9 zestawiono materiały wsadowe i produkty wytapiania żeliwa
w żeliwiakach.
Tablica 9
Żeliwiak – materiały wsadowe i produkty
Cupola – charge materials and products
Materiały wsadowe
Wsad metalowy (surówka, złom stalowy zewnętrzny, złom żeliwny obiegowy, surówka, żelazo gąbczaste)
Żelazostopy, pierwiastki stopowe
Topniki (kamień wapienny)
Źródła energii (koks, gaz, paliwa ciekłe, energia
elektryczna)
Tlen
Woda chłodząca
Woda
Produkty
żeliwo
pyły (zawierające metal)
CO, CO2, SO2, NOx
HF
dioksyny, furany
organiczne zanieczyszczenia
CO
żużel
zużyte materiały ogniotrwałe
Podstawowym źródłem energii w procesie żeliwiakowym (żeliwiak koksowy) jest proces spalania koksu odlewniczego. Średnie zużycie koksu
w żeliwiaku z zimnym dmuchem mieści się w granicach 110 – 140 kg koksu/Mg
wsadu metalowego. Jeśli się założy, że spalenie 1 kg koksu dostarcza 8,5 kW
energii, to żeliwiak zużywa 950 – 1200 kW⋅h/Mg wsadu metalowego. W żeliwiakach z gorącym dmuchem średnie zużycie koksu szacuje się na 110 – 145
kg/Mg wsadu metalowego. Jeżeli udział we wsadzie złomu stalowego dochodzi
do 50%, a nawęglenie wsadu do założonej zawartości pochłania około 1,5%
realnie wprowadzonego koksu, to jego zużycie można oszacować na 95 – 130
kg/Mg wsadu metalowego. Daje to zużycie energii na poziomie 810 – 1100
kW⋅h/Mg wsadu metalowego. Sprawność cieplna żeliwiaka jest szacowana na
poziomie 35 – 45%.
W tablicy 10 zestawiono bilans energii zużywanej na podgrzewanie dmuchu,
oczyszczanie gazów żeliwiakowych i przetrzymywanie żeliwa w piecu (np. kanałowym piecu indukcyjnym).
Tablica 10
Przeciętne zużycie energii na obróbkę gazów odlotowych i przetrzymywanie żeliwa
Average energy consumption for off-gas treatment and holding of cast iron
Zapotrzebowanie na energię
Podgrzanie gazu doprowadzanego do komory spalania
Proces oczyszczania gazów
Przetrzymywanie ciekłego metalu
Przeciętne zużycie energii
[kW⋅h/Mg]
40
40
60
Emisja pyłów i gazów w procesie topienia stopów żelaza w odlewniach
109
Ilość pyłów wytwarzanych w czasie wytapiania żeliwa w procesie żeliwiakowym jest ściśle uzależniona od typu procesu (tabl. 11).
Tablica 11
Emisja pyłów w różnego typu procesach prowadzonych w żeliwiakach
Dust emission levels for various cupola types
Typ żeliwiaka
Emisja pyłów
[kg/Mg wsadu]
Rozchód koksu
[kg/Mg wsadu]
Z zimnym dmuchem
Z gorącym dmuchem
Z gorącym dmuchem (bez wyłożenia ogniotrwałego – chłodzenie wodne płaszcza)
Bezkoksowy
5–13
4–10
110–140
95–130
5–12
0,8
115–135
0
Pyły emitowane przez żeliwiak w czasie procesu mają wymiary 1 – 10 mm.
Frakcja o wymiarach do 100 μm stanowi około 50% masy pyłów, podczas gdy
frakcja poniżej 2 μm jest szacowana na 5–20%. Wartości emisji pyłów z żeliwiaka z podgrzewanym dmuchem są przedstawione w tablicy 12.
Tablica 12
Emisja pyłów z żeliwiaka z podgrzewanym dmuchem
Dust emission for hot blast cupola
Oczyszczanie gazów
odlotowych
Powyżej okna wsadowego,
filtr workowy
Cyklon, płuczka Venturiego,
rekuperator
Objętość gazów
[m3/h]
Zawartość pyłów
[mg/m3]
28500
7
16000
68–94
W tablicy 13 przedstawiono typowy skład chemiczny pyłów emitowanych
przez żeliwiak. Gazy odlotowe składają się z takich składników, jak N2, CO2,
H2O oraz CO wraz z małą koncentracją SO2. W klasycznym procesie żeliwiakowym gazy odlotowe są odbierane powyżej okna wsadowego. Obserwuje się
zmianę składu pyłów na poziomie okna wsadowego i powyżej tego miejsca
wskutek zasysania powietrza na poziomie okna wsadowego.
Gdy gazy żeliwiakowe mają odpowiednio wysoką temperaturę i zawierają
znaczną ilość CO, możliwe jest ich dopalanie zgodnie z reakcją:
1
CO + O 2 → CO 2 .
2
(1)
A. Modrzyński, K. Grześkowiak, M. Suchora
110
Tablica 13
Skład chemiczny pyłów emitowanych z żeliwiaka [3, 5]
Typical chemical composition of cupola dust [3, 5]
Substancja
Tlenki żelaza
SiO2
Pyły koksu
MnO
Al2O3
MgO
CaO
S
ZnO2 (w zależności od rodzaju wsadu)
PbO (w zależności od rodzaju wsadu)
∗
Skład [% mas.]
źródło [3]
źródło [5]
30–60
25
3–15
3–10
1–3
1–3
<1
<2
<3
<1
15–25
15–30
brak danych
2–5
2–5
0–2
5–10
brak danych
0–30Zn*
0–5Pb*
W formie tlenków i krzemianów.
Wówczas temperatura gazów wzrasta do 900oC. Dopalanie CO powoduje, że nie
następuje emisja CO do otoczenia lub poziom tej emisji jest bardzo mały. Gdy
ten proces nie występuje, powietrze doprowadzone do żeliwiaka działa chłodząco, obniża temperaturę gazów odlotowych o 100 – 300°C i wtedy wzajemny
stosunek CO/CO2 nie ulega zmianie. Temperatura gazów odlotowych na poziome okna wsadowego zależy w znacznym stopniu od wypełnienia żeliwiaka materiałami wsadowymi.
Strumień gazów na poziomie okna wsadowego jest zależny od rozchodu koksu. W miarę wzrostu rozchodu koksu maleje wydajność żeliwiaka (mierzona w
megagramach ciekłego żeliwa na godzinę) przy tej samej ilości doprowadzonego
powietrza. Należy wówczas zwiększyć dmuch w celu utrzymania wydajności na
tym samym poziomie. W tym przypadku nastąpi także wzrost temperatury metalu. Wzrost ilości dmuchu i rozchodu koksu powoduje wzrost ilości gazów odlotowych wydzielanych z żeliwiaka.
W określonym piecu zużycie koksu i ilość dmuchu wpływa na szybkość topienia i temperaturę metalu na rynnie spustowej, co z kolei wpływa na wydajność godzinową żeliwiaka. Typowe zapotrzebowanie na powietrze, zgodnie z
doniesieniami literaturowymi, wynosi:
− 600 – 800 N⋅m3/Mg wsadu metalowego w żeliwiaku z zimnym dmuchem,
− 500 – 700 N⋅m3/Mg wsadu metalowego w żeliwiaku z podgrzewanym
dmuchem.
Skład chemiczny gazów odlotowych (niedopalonych) na poziomie okna
wsadowego przedstawiono w tablicy 14.
W tablicy 15 podano emisję gazów i pyłów z żeliwiaka z zimnym i gorącym
dmuchem w zależności od miejsca ich pobrania do analizy. Zastosowanie gorą-
Emisja pyłów i gazów w procesie topienia stopów żelaza w odlewniach
111
cego dmuchu ogranicza emisję SO2, a mokry filtr wpływa na lepsze odpylenie
niż płuczka Venturiego.
Tablica 14
Skład chemiczny niedopalonych gazów na poziomie okna wsadowego [5]
Unburned top gas composition on the charging door level [5]
Substancja
Zawartość [% obj.]
CO2
CO
H2
SO2
N2
10÷18
5÷15
<1
<0,5
reszta
Tablica 15
Emisja pyłów i gazów z żeliwiaka z gorącym i zimnym dmuchem
(dane przeliczone na zawartość 11% O2) [1]
Emission date for hot blast cupolas (GD) and cold blast cupolas (ZD)
– ( date recalculated to 11%O2 ) [1]
Emisja (w warunkach normalnych)
[mg/m3]
pyły
SO2
CO
NOx
HF
GD
20
POW / D
40000
5
57
712
11
–
GD
24
POW / BF
46455
20
7
1,1÷1,4
14÷17 70÷75
GD
25
POW / V
35000
36
28
21
16
–
ZD
5
NOW / BF
23000
6
431
28558
63
–
ZD
8
NOW / BF
20000
20
401
936
36
–
ZD
9
NOW /BF
22000
4
105
17286
60
–
Oznaczenia: POW – poniżej okna wsadowego, NOW – nad oknem wsadowym, GD – gorący
dmuch, ZD – zimny dmuch, D – dezintegrator, V – płuczka Venturiego, BF – filtr workowy.
Typ
Wydajność
[Mg/h]
Miejsce
analizy /
odpylanie
Przepływ
[m3/h]
Żużel z żeliwiaka zawiera tlenki, które wypływają z ciekłego metalu, zanieczyszczenia wprowadzone do pieca z wsadem metalowym, zużyte cząstki wyłożenia ogniotrwałego pieca, popiół z procesu spalania koksu, tlenki z procesu
utleniania składników wsadu oraz składniki pochodzące z dozowanych materiałów żużlotwórczych. W celu ułatwienia oddzielenia żużla od metalu można go
zagęścić przez wprowadzenie na powierzchnię ciekłego metalu środka zagęszczającego (np. wernikulit). Typowy żeliwiak zwykłe wytwarza 40÷80 kg żużla/Mg żeliwa. W tablicy 16 przedstawiono skład chemiczny typowego żużla z
procesu żeliwiakowego.
A. Modrzyński, K. Grześkowiak, M. Suchora
112
Tablica 16
Typowy skład chemiczny żużli z procesu wytapiania żeliwa w żeliwiaku [6, 9]
Typical cupola slag composition [6, 9]
Składnik
Zawartość [% mas.]
Składnik
Zawartość [% mas.]
SiO2
CaO
Al2O3
MgO
MnO
45–55
25–40
8–20
1–3
1–4
FeO
siarczki
TiO2
ZnO
–
1–6
<1
<1
<0,1
–
Według szacunków [6, 9] żużel żeliwiakowy składa się:
− w 30% ze zużytych materiałów ogniotrwałych,
− w 10% z masy formierskiej znajdującej się na powierzchni złomu obiegowego,
− w 40% z wprowadzonego topnika (CaCO3),
− w 10% z popiołu uzyskanego po spaleniu koksu,
− w 10% z utlenionych składników materiałów wsadu.
Cechą charakterystyczną żużla żeliwiakowego jest duża zawartość SiO2, który po szybkim schłodzeniu ma budowę szklistą. Żużel żeliwiakowy, jako obojętny, nierozpuszczający się materiał, jest wykorzystywany w innych gałęziach
przemysłu. Duże zużycie wyłożenia ogniotrwałego w procesie topienia żeliwa w
żeliwiaku (praca kampanijna) jest zasadniczą przyczyną wytwarzania dużej masy żużla w procesie metalurgicznym.
2.4. Piece bębnowe (obrotowe)
W tablicy 17 zestawiono materiały wsadowe i produkty wytapiania żeliwa w
piecach bębnowych.
Tablica 17
Materiały wsadowe i produkty wytapiania żeliwa w piecach bębnowych (obrotowych)
Rotary furnace – charge materials and products
Materiały wsadowe
Wsad metalowy (surówka, złom stalowy,
żeliwny złom obiegowy, opiłki i wióry)
Żelazostopy, pierwiastki stopowe
Topniki
Energia (łuk elektryczny – grzanie pośrednie,
gaz, paliwa ciekłe)
Środki nawęglające
Woda chłodząca
Produkty
żeliwo
pyły
opary organiczne i metaliczne
tlenki metali
żużel
zużyte materiały ogniotrwałe
Emisja pyłów i gazów w procesie topienia stopów żelaza w odlewniach
113
Wytapianie żeliwa w piecu bębnowym jest zaliczane do wyjątkowo czystych
procesów metalurgicznych, gdy źródłem ciepła jest łuk elektryczny (grzanie
pośrednie) lub spalanie gazu (ziemnego lub propanu). Stopień emisji szkodliwych zanieczyszczeń jest ściśle uzależniony od czystości zastosowanego wsadu
metalowego.
Źródłem pyłów emitowanych z pieca podczas wytopu są wszelkie zanieczyszczenia wsadu wprowadzonego do pieca, zużywające się wyłożenie ogniotrwałe podczas ładowania pieca i wytopu, procesy utleniania pierwiastków znajdujących się we wsadzie oraz we wprowadzanych do pieca żelazostopach
i pierwiastkach stopowych. Według doniesień literaturowych wartość emisji
pyłów z pieca obrotowego szacuje się w granicach 0,3 – 2,9 kg/Mg wsadu metalowego. Średnica emitowanych cząsteczek mieści się w granicach 1 – 100 μm.
Analiza wielkości cząstek pyłów wykazała występowanie poniższych frakcji [4]:
− <1 μm – 20%,
− <10 μm – 60%,
− <50μm – 95%.
Skład chemiczny pyłów emitowanych w czasie wytopu żeliwa w piecach obrotowych (bębnowych) przedstawiono w tablicy 18.
Tablica 18
Skład chemiczny pyłów emitowanych przez piece obrotowe (bębnowe) w czasie procesu wytapiania żeliwa [4]
Chemical composition of rotary furnace dust in ferrous melting [4]
Składnik
Zawartość [% mas.]
Składnik
Zawartość [% mas.]
Tlenki żelaza
MnO
SiO2
MgO
Cr2O3
50–75
<1
<1
1–2
<0,5
ZnO
Pb
Sn
straty prażenia
–
<1
<0,5
0,2
5–10
–
Podczas topienia piec emituje około 120 kg CO2 na 1 Mg wsadu metalowego. Sprawność cieplna tego typu jednostek zależy od ich pojemności i zawiera
się w granicach 50–65%. Tak duża sprawność może być uzyskana tylko w przypadku użycia tlenu (zamiast powietrza) podczas opalania pieca i grzania palnikami na paliwo ciekłe lub gazowe. Podczas procesu niezupełnego spalania piec
może wytwarzać duże ilości CO, które po opuszczeniu przestrzeni roboczej
(w temperaturze 1500°C) dopalają się do CO2 w czasie kontaktu z tlenem zawartym w powietrzu. Jeżeli do opalania pieca stosuje się paliwa ciekłe lub gazowe zawierające dużą ilość siarki, to emisja SO2 może być bardzo wysoka.
114
A. Modrzyński, K. Grześkowiak, M. Suchora
Tablica 19
Główne składniki gazów emitowanych podczas wytopu żeliwa w piecu obrotowym
(bez systemu oczyszczania gazów) [7]
Main measured emissions for rotary furnace during cast iron melting (furnace without cleaning
equipment) [7]
Parametr (w warunkach normalnych)
Wynik pomiaru
Ilość gazów odlotowych [m3/h]
SO2 [mg/m3]
NOx [mg/m3]
CO [mg/m3]
Węglowodory [mg/m3]
HCl [mg/m3]
HF [mg/m3]
Pyły [mg/m3]
Hg [mg/m3]
Pb [mg/m3]
Cu [mg/m3]
Mn [mg/m3]
Zn [mg/m3]
Fe [mg/m3]
9000
70 ± 60
200 ± 200
20 ± 10
<1
1,64
0,91
220
0,35
0,38
0,196
0,38
1,768
64,63
Emisja NOx może się zmieniać w granicach 10 – 50 ppm na 1 Mg wsadu.
Tlenki azotu powstają w atmosferze utleniającej w strefie, w której panuje wysoka temperatura (ok. 2800°C). Podczas utleniającego biegu palnika (praca
z nadmiarem tlenu) emisja NOx jest znaczna, natomiast podczas redukcyjnego
biegu palnika jest bardzo mała. Dzięki wysokiej temperaturze panującej w płomieniu palnika i stosowaniu czystych metalowych materiałów wsadowych nie
odnotowano emisji cząstek zawierających węgiel.
W tablicy 19 podano główne składniki gazów emitowanych z pieca obrotowego w jednej z włoskich odlewni (wydajność 1,4 Mg żeliwa/h).
3. PODSUMOWANIE I WNIOSKI
W celu ograniczenia emisji szkodliwych substancji do otoczenia należy stosować odpowiednie sposoby [8].
Topienie żeliwa w żeliwiakach. Podczas topienia żeliwa w żeliwiakach należy stosować nowoczesne jednostki charakteryzujące się:
− podgrzewaniem dmuchu,
− dmuchem wzbogaconym w tlen (koncentracja O2 w dmuchu do 25%),
− przystosowaniem do pracy kampanijnej,
− wytwarzaniem minimalnej ilości żużla przystosowanego do wykorzystania w innych procesach technologicznych,
− wykorzystaniem w procesie topienia koksu o małej zawartości siarki.
tak
wysokie
20–80
tak
wysokie
10–40
–
okresowy
–
1–4
2–50
okresowy
–
1–4
2–50
NO2
500–700
500–700
zależna od dostarczonej mocy
7,5–25 (odwęglanie)
<1
prąd
elektryczny
60–70
prąd
elektryczny
60–70
5–8
piec łukowy
kwaśny
zasadowy
Staliwo
CO2
CO
SO2
Sprawność cieplna
[%]
Zużycie energii
[kW⋅h/Mg]
Proces
Wydajność [Mg/h]
Czas topienia [h]
Pojemność pieca
[Mg]
Możliwość rafinacji
Nakłady
inwestycyjne
Ilość żużla [kg/Mg
wsadu]
Emisja pyłów
[kg/Mg wsadu]
Źródło energii
Charakterystyka
0,06–1
10–20
nie
wysokie
okresowy
–
1–2
0,01–30
520–800
prąd
elektryczny
50–60
piec indukcyjny
bezrdzeniowy
5–13
40–80
tak
średnie
ciągły
2–10
–
–
950–1200
30–40
zimny
dmuch
koks
–
zależna od dostarczonej mocy
n.a.
śladowa
<1
400–500
możliwa
1–2
4–12
40–80
tak
wysokie
ciągły
8-70
–
–
810–1100
35-45
kampanijny –
gorący dmuch
koks
żeliwiak
<1
350–480
0,5–2,5
<1
tak
wysokie
ciągły
8–70
–
–
800–900
40–45
gorący
dmuch
koks
emisja gazów odlotowych [kg/Mg] wsadu metalowego
nie
wysokie
okresowy
–
1–2
0,01–30
520–800
prąd
elektryczny
50–60
piec indukcyjny
bezrdzeniowy
Żeliwo
100–120
<10
zależy od rodzaju
paliwa
0,5
0,3–2,9
20–60
nie
średnie
ciągły
>5
–
–
700–800
50-60
gaz/paliwo
bezkoksowy
0,3–0,4
120
1,0–1,5
2,5–3,0
–
–
nie
niskie
okresowy
–
–
1–20
600–800
50-60
gaz/paliwo
piec
bębnowy
Tabela 20
Podstawowe charakterystyczne dane pieców do topienia stopów żelaza oraz emisja szkodliwych zanieczyszczeń z tych jednostek [7]
Typical melting furnace properties and emission date for these units during melting iron alloys [7]
Emisja pyłów i gazów w procesie topienia stopów żelaza w odlewniach
115
116
A. Modrzyński, K. Grześkowiak, M. Suchora
Jednostki te powinny być wyposażone w instalację do odprowadzania, oczyszczania i chłodzenia gazów odlotowych oraz system dopalania gazów odlotowych z
możliwością wykorzystania tego ciepła w procesach technologicznych w odlewni,
a także w zespół mierników monitorujących proces technologiczny.
Topienie stali na odlewy w piecach elektrycznych. Podczas topienia w piecach elektrycznych łukowych należy stosować jednostki charakteryzujące się
niezawodną i ekonomiczną pracą, pozwalające w wydatny sposób skrócić czas
roztapiania i obróbki ciekłego metalu (np. piece typu DC – Direct Current),
wyposażone w efektywną instalację oprowadzania gazów, ich schładzania oraz
system odpylania (filtry workowe).
Topienie stopów żelaza w piecach indukcyjnych. Podczas topienia stopów
żelaza w piecach indukcyjnych szczególną uwagę należy zwrócić na dobór materiałów wsadowych (stosować czysty złom). Najczęściej w odlewniach stosuje
się piece sieciowej i średniej częstotliwości wyposażone w system umożliwiający wykorzystanie ciepła odpadowego i nadzorowanie mocy podawanej do pieca
w zależności od stopnia jego wypełnienia, wyposażone w kołpaki lub pokrywy
do odbioru gazów odlotowych wraz z systemem suchego ich oczyszczania, pozwalającym zmniejszyć emisję pyłów poniżej 0,2 kg/Mg topionego metalu. Najczęściej w praktyce przemysłowej stosowane jest topienie w piecach indukcyjnych średniej częstotliwości.
Topienie żeliwa w piecach bębnowych (obrotowych). Wytopy należy prowadzić, stosując palniki gazowo-tlenowe lub paliwowo-tlenowe w celu podwyższenia ich sprawności. Konstrukcja pieca powinna umożliwić odbiór gazów
odlotowych oraz mieć system ich dopalania i schładzania oraz suchego odpylania.
W tablicy 20 podano charakterystykę podstawowych pieców stosowanych do
wytapiania stopów żelaza (żeliwa i staliwa).
LITERATURA
[1] Batz R., Stand der Technik bei der Emissionsminderung in Eisen-, Stahl-, und Tempergiesserein, Umweltbundesamt 1986.
[2] Binninger W., Vermeidung von Abfällen durch abfallarme Productionsverfaren – Reststoffe
aus Schelzanlagen für Nichteisenmetalle (NE – Schwermatallguss) – Abfallberatungsagentur
(ABAG ) 1994.
[3] CAEF – BAT for the Abatement of Atmospheric Pollution in the Ferrous Foundry Industry,
Raport European Commission – DG XI.E.1 1977.
[4] Carnicer Alfonso P.L., Emisiones de un Horno Rotativo de Oxigas para la fabricación de
fundición férrea. Diagnóstico y medidas correctoras, Universidad del Pais Vasco 2001.
[5] Charbonnier M., Godinot P., Stephan J., Denevir des poussières de cubilots dépoussierés
à sec, Fonderie, 1998, vol. 174, s. 44–52
[6] Godinot P., Evolution of the Coupola in Europe, Fonderie, 2001, vol. 205, s. 28–40.
[7] Integrated Pollution Prevention and Control. Draft Reference Document on Best Available
Techniques in the Smitheries and Foundry Industry, Institute for Prospective Technology
Studies (Seville – Spain), May 2005.
Emisja pyłów i gazów w procesie topienia stopów żelaza w odlewniach
117
[8] Modrzyński A., Zaawansowane technologie topienia metali w odlewnictwie stopów żelaza,
Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, 2007, vol. 27, nr 1, s. 65–76.
[9] Neumann F., Gusseisen –1994 – expert verlag.
[10] The Casting Development Centre – Beneficial Re-use for Managers, Raport 1999.
Praca wpłynęła do Redakcji 2.04.2008
Recenzent: prof. dr hab. Mariusz Holtzer
EMISSION OF DUST AND WASTE GASES DURING MELTING FERROUS
ALLOYS IN FOUNDRIES
Summary
This article presents data and information concerning current emission level of dust and waste
gases in foundries during melting ferrous alloys. The detail information about dust emission rate,
particles range and theirs chemical composition are discussed as well. Typical flowrates of waste
gases and theirs chemical composition are presented too. On the base of these date the best kind of
melting furnaces for steel and cast iron melting are selected. Melting iron alloys in these furnaces
permit decrease dust and waste gases emission in foundries.
Key words: pollution emission, iron alloys, furnaces