EMISJA PYŁÓW I GAZÓW W PROCESIE TOPIENIA STOPÓW ŻELAZA W ODLEWNIACH

Transkrypt

1 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. Instytut Technologii Materiałów Politechniki Poznańskiej. *** Mgr inż.

2 104 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 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. Piec elektryczny łukowy zasadowy materiały wsadowe i produkty Basic electric arc furnace charge materials and products Tablica 1 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 NO x, CO 2, 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 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.

3 Emisja pyłów i gazów w procesie topienia stopów żelaza w odlewniach 105 Skład chemiczny cząstek pyłów [3] Chemical composition of dust [3] Tablica 2 Substancja Udział [% mas.] Substancja Udział [% mas.] FeO+Fe 2 O Al 2 O SiO MoO 3 <1 CaO 1 15 NiO <1 MgO 0 15 Pb <1 ZnO 0 16 Cd <0,01 Cr 2 O TiO 2 <0,05 MnO 2 10 V 2 O 5 <0,05 Straty prażenia 0 4 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/m 3 (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 Pojemność gazów przez Typ filtra pieca [Mg] filtr [m 3 /h] Ilość pyłów SO 2 CO NO x HF O 2 [% obj.] workowy ,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.] SiO 2 36,2 28,6 41,8 FeO 0,7 0,5 1,0 CaO 12,4 7,2 17,7 MnO 14,8 4,0 29,6 MgO 22,1 18,3 27,0 TiO 2 1,2 0,39 2,7 Al 2 O 3 8,4 7,4 0,1 Na 2 O+K 2 O 0,4 0,21 0,80

4 106 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. Piec elektryczny indukcyjny kwaśny materiały wsadowe i produkty Acid induction furnace charge materials and products Tablica 5 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 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 μm, z czego cząstki o wymiarach 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/m 3 (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.

5 Emisja pyłów i gazów w procesie topienia stopów żelaza w odlewniach 107 Skład chemiczny cząstek pyłów [3] Chemical composition of dust particles [3] Tablica 6 Substancja Udział [% mas.] FeO+Fe 2 O SiO 2 (w zależności od wyłożenia pieca) 5 25 MnO <5 Al 2 O 3 (w zależności od wyłożenia pieca) 3 10 CaO <1 ZnO (w zależności od jakości wsadu) <5 Tlenki metalowe (zależne od materiałów wsadowych) <0,1 Straty prażenia 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] Pojemność pieca [Mg] Przepływ gazów przez filtr [m 3 /h] Typ filtra Ilość pyłów SO 2 CO NO x HF O 2 [% obj.] workowy 1,0 1, ,0 0,1 20 Ilość żużla powstającego w czasie wytopu jest uzależniona od czystości wsadu metalowego (zwykle 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 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.] SiO MnO 2 10 FeO CaO 0 3 Al 2 O MgO 0 3

6 108 A. Modrzyński, K. Grześkowiak, M. Suchora 2.3. Żeliwiak W tablicy 9 zestawiono materiały wsadowe i produkty wytapiania żeliwa w żeliwiakach. Żeliwiak materiały wsadowe i produkty Cupola charge materials and products Tablica 9 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, CO 2, SO 2, NO x 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 kg koksu/mg wsadu metalowego. Jeśli się założy, że spalenie 1 kg koksu dostarcza 8,5 kw energii, to żeliwiak zużywa kw h/mg wsadu metalowego. W żeliwiakach z gorącym dmuchem średnie zużycie koksu szacuje się na 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 kg/mg wsadu metalowego. Daje to zużycie energii na poziomie 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 Przeciętne zużycie energii [kw h/mg] Podgrzanie gazu doprowadzanego do komory spalania 40 Proces oczyszczania gazów 40 Przetrzymywanie ciekłego metalu 60

7 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). Emisja pyłów w różnego typu procesach prowadzonych w żeliwiakach Dust emission levels for various cupola types Tablica 11 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 0,8 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. Emisja pyłów z żeliwiaka z podgrzewanym dmuchem Dust emission for hot blast cupola Tablica 12 Oczyszczanie gazów odlotowych Objętość gazów [m 3 /h] Zawartość pyłów Powyżej okna wsadowego, filtr workowy Cyklon, płuczka Venturiego, rekuperator W tablicy 13 przedstawiono typowy skład chemiczny pyłów emitowanych przez żeliwiak. Gazy odlotowe składają się z takich składników, jak N 2, CO 2, H 2 O oraz CO wraz z małą koncentracją SO 2. 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 + O2 CO2. 2 (1)

8 110 A. Modrzyński, K. Grześkowiak, M. Suchora Skład chemiczny pyłów emitowanych z żeliwiaka [3, 5] Typical chemical composition of cupola dust [3, 5] Tablica 13 Substancja Skład [% mas.] źródło [3] źródło [5] Tlenki żelaza SiO Pyły koksu 3 15 brak danych MnO Al 2 O MgO CaO < S <2 brak danych ZnO 2 (w zależności od rodzaju wsadu) <3 0 30Zn * PbO (w zależności od rodzaju wsadu) <1 0 5Pb * W formie tlenków i krzemianów. Wówczas temperatura gazów wzrasta do 900 o C. 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 C i wtedy wzajemny stosunek CO/CO 2 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: N m 3 /Mg wsadu metalowego w żeliwiaku z zimnym dmuchem, N m 3 /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-

9 Emisja pyłów i gazów w procesie topienia stopów żelaza w odlewniach 111 cego dmuchu ogranicza emisję SO 2, a mokry filtr wpływa na lepsze odpylenie niż płuczka Venturiego. Skład chemiczny niedopalonych gazów na poziomie okna wsadowego [5] Unburned top gas composition on the charging door level [5] Tablica 14 Substancja Zawartość [% obj.] CO CO 5 15 H 2 <1 SO 2 <0,5 N 2 reszta Emisja pyłów i gazów z żeliwiaka z gorącym i zimnym dmuchem (dane przeliczone na zawartość 11% O 2 ) [1] Emission date for hot blast cupolas (GD) and cold blast cupolas (ZD) ( date recalculated to 11%O 2 ) [1] Tablica 15 Typ Wydajność [Mg/h] Miejsce analizy / odpylanie Przepływ [m 3 /h] Emisja (w warunkach normalnych) pyły SO 2 CO NO x HF GD 20 POW / D GD 24 POW / BF ,1 1, GD 25 POW / V ZD 5 NOW / BF ZD 8 NOW / BF ZD 9 NOW /BF Oznaczenia: POW poniżej okna wsadowego, NOW nad oknem wsadowym, GD gorący dmuch, ZD zimny dmuch, D dezintegrator, V płuczka Venturiego, BF filtr workowy. 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 kg żużla/mg żeliwa. W tablicy 16 przedstawiono skład chemiczny typowego żużla z procesu żeliwiakowego.

10 112 A. Modrzyński, K. Grześkowiak, M. Suchora 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.] SiO FeO 1 6 CaO siarczki <1 Al 2 O TiO 2 <1 MgO 1 3 ZnO <0,1 MnO 1 4 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 (CaCO 3 ), w 10% z popiołu uzyskanego po spaleniu koksu, w 10% z utlenionych składników materiałów wsadu. Cechą charakterystyczną żużla żeliwiakowego jest duża zawartość SiO 2, 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 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

11 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 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 ZnO <1 MnO <1 Pb <0,5 SiO 2 <1 Sn 0,2 MgO 1 2 straty prażenia 5 10 Cr 2 O 3 <0,5 Podczas topienia piec emituje około 120 kg CO 2 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 CO 2 w czasie kontaktu z tlenem zawartym w powietrzu. Jeżeli do opalania pieca stosuje się paliwa ciekłe lub gazowe zawierające dużą ilość siarki, to emisja SO 2 może być bardzo wysoka.

12 114 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 [m 3 /h] 9000 SO 2 70 ± 60 NO x 200 ± 200 CO 20 ± 10 Węglowodory <1 HCl 1,64 HF 0,91 Pyły 220 Hg 0,35 Pb 0,38 Cu 0,196 Mn 0,38 Zn 1,768 Fe 64,63 Emisja NO x może się zmieniać w granicach ppm na 1 Mg wsadu. Tlenki azotu powstają w atmosferze utleniającej w strefie, w której panuje wysoka temperatura (ok C). Podczas utleniającego biegu palnika (praca z nadmiarem tlenu) emisja NO x 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 O 2 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.

13 Emisja pyłów i gazów w procesie topienia stopów żelaza w odlewniach 115 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] Charakterystyka Źródło energii prąd elektryczny Sprawność cieplna [%] Zużycie energii [kw h/mg] Staliwo Żeliwo piec łukowy piec indukcyjny piec indukcyjny żeliwiak kwaśny zasadowy bezrdzeniowy bezrdzeniowy zimny dmuch prąd elektryczny prąd elektryczny prąd elektryczny gorący dmuch kampanijny gorący dmuch bezkoksowy piec bębnowy koks koks koks gaz/paliwo gaz/paliwo Proces okresowy okresowy okresowy okresowy ciągły ciągły ciągły ciągły okresowy Wydajność [Mg/h] >5 Czas topienia [h] Pojemność pieca [Mg] , , Możliwość rafinacji tak tak nie nie tak tak tak nie nie Nakłady inwestycyjne wysokie wysokie wysokie wysokie średnie wysokie wysokie średnie niskie Ilość żużla [kg/mg wsadu] Emisja pyłów [kg/mg wsadu] , ,3 2,9 emisja gazów odlotowych [kg/mg] wsadu metalowego CO2 zależna od dostarczonej mocy zależna od dostarczonej mocy CO 7,5 25 (odwęglanie) n.a. możliwa 0,5 2,5 <10 1,0 1,5 SO2 <1 śladowa 1 2 <1 zależy od rodzaju 2,5 3,0 paliwa NO2 <1 <1 0,5 0,3 0,4

14 116 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 [2] Binninger W., Vermeidung von Abfällen durch abfallarme Productionsverfaren Reststoffe aus Schelzanlagen für Nichteisenmetalle (NE Schwermatallguss) Abfallberatungsagentur (ABAG ) [3] CAEF BAT for the Abatement of Atmospheric Pollution in the Ferrous Foundry Industry, Raport European Commission DG XI.E [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 [5] Charbonnier M., Godinot P., Stephan J., Denevir des poussières de cubilots dépoussierés à sec, Fonderie, 1998, vol. 174, s [6] Godinot P., Evolution of the Coupola in Europe, Fonderie, 2001, vol. 205, s [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.

15 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 [9] Neumann F., Gusseisen 1994 expert verlag. [10] The Casting Development Centre Beneficial Re-use for Managers, Raport Praca wpłynęła do Redakcji Recenzent: prof. dr hab. Mariusz Holtzer EMISSION OF DUST AND WASTE GASES DURING MELTING FERROUS ALLOYS IN FOUNDRIES S u m m a r y 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