4.5.2.1. Wychwytywanie, oczyszczanie i chłodzenie gazów

4.5.2. Żeliwiak 4.5.2.1. Wychwytywanie, oczyszczanie i chłodzenie gazów Podstawą projektowania systemu wychwytywania i oczyszczania gazów są warunki jakie występują podczas wprowadzania dmuchu, ponieważ panują wówczas najtrudniejsze warunki eksploatacyjne w całej operacji wytapiania. Pod koniec procesu wytapiania wstrzymuje się ładowanie wsadu do pieca. Temperatura gazów będzie stopniowo wzrastać, ponieważ nie są one już chłodzone przez zimny wsad w szybie. W kontakcie z tlenem CO będzie się automatycznie spalał. Dlatego też temperatura może wzrosnąć do 1200 o C lub nawet wyżej. System wychwytywania gazów odlotowych i ich obróbki musi sobie radzić w tych trudnych warunkach. Wychwytywanie gazów Do wychwytywania gazów stosowane są dwie metody: Odprowadzenie gazów powyżej otworu wsadowego: Gazy odlotowe są ujmowane na końcu szybu żeliwiaka za pomocą przewodów i wentylatora umieszczonego na drodze przepływu gazów. Otwarcie powyżej poziomu otworu wsadowego pozwala na istotny dopływ powietrza koniecznego do tego, aby zapobiec emisji gazów żeliwiakowych z tego obszaru. Objętość tego dodatkowego powietrza może być wiele razy większa niż strumień gazów żeliwiakowych. Pociąga to za sobą wzrost wielkości i kosztów układu wychwytującego i oczyszczającego. Zmniejszenie wielkości otworu wsadowego może mieć pewne znaczenie, ale ta możliwość jest ograniczona ze względu na zagrożenie eksplozją, wtedy gdy zbyt mało tlenu jest wymieszane z CO zawartym w gazach żeliwiakowych (spalanie pulsacyjne). Odprowadzenie gazów poniżej poziomu otworu wsadowego: Gazy żeliwiakowe są ujmowane przez specjalny pierścień znajdujący się poniżej otworu wsadowego. Nie ma potrzeby wprowadzania dodatkowego powietrza, ponieważ gazy nie mogą być wyemitowane z otworu, pod warunkiem, że system kontroli jest dostatecznie czuły na prawidłowe działanie w czasie zmian szybkości dmuchu w żeliwiaku. Zbyt mała szybkość odprowadzania gazów może powodować, że gazy emitowane przez szyb będą nie oczyszczone. Zbyt duży strumień odprowadzanych gazów może powodować przedostanie się powietrza, co prowadzi do spalenia i przegrzania gazów (tj. niebezpieczeństwa eksplozji). Chłodzenie gazów Po wychwyceniu gazy powinny być ochłodzone w zależności od stosowanego systemu odpylania. W przypadku żeliwiaka z gorącym dmuchem, ciepło odzyskane z ochładzania może być wykorzystane do wstępnego podgrzewania dmuchu powietrza. Możliwych jest kilka sposobów ochładzania wychwyconych gazów, które obejmują: - stosowanie ochładzalników rurowych: Przepływ wychwyconych gazów przez długie kanały powoduje obniżenie ich temperatury w wyniku naturalnej konwekcji i promieniowania. Metoda ta jest prosta, ale wymaga dużej przestrzeni i nie daje możliwości kontroli procesu chłodzenia (dlatego też występuje niebezpieczeństwo kondensacji). - stosowanie wymuszonej wymiany ciepła powietrze/gaz: Zimne otaczające powietrze jest wtłaczane przez układ rur lub płyt w celu schłodzenia gazów. Wychwycony pył i konieczność oczyszczania powierzchni wymiennika ciepła może powodować konieczność zaprojektowania systemu złożonego i kosztownego. Jedną z zalet tego systemu jest możliwość wykorzystania Kuźnictwo i przemysł odlewniczy 1

nagrzanego powietrza do innych procesów cieplnych. Rekuperacyjne żeliwiaki z gorącym dmuchem są wyposażone w instalację dopalającą i wymiennik ciepła (rekuperator) do podgrzewania dmuchu powietrza, - zastosowanie wymienników ciepła olej/gaz: Metoda ta jest podobna do opisanej powyżej, ale bardziej kosztowna, ponieważ wymaga wtórnego systemu chłodzenia. Wymiennik ciepła jest w zasadzie chłodzony obiegiem oleju mineralnego. Chłodzenie przy pomocy wymiennika ciepła woda/gaz nie jest stosowane (lub bardzo rzadko), - nasycanie wodą: W metodzie tej gazy są chłodzone przez parującą wodę wtryskiwaną do strumienia gazów. Płuczki wodne działają sprawniej jeżeli gazy są ochłodzone, przed oczyszczaniem, w komorach do nasycania. Kiedy stosuje się tylko filtry tkaninowe możliwe jest jedynie częściowe nasycanie, aby zapobiec zalepianiu filtrów spowodowanym kondensacją pary wodnej. Dla zapewnienia prawidłowego działania układu konieczny jest dobry system kontroli. Oziębianie gazów tą metodą ma tę zaletę, że przy szybkim chłodzeniu maleje niebezpieczeństwo tworzenia się dioksyn. Odpylanie Do usuwania cząstek stałych z gazów odlotowych stosowane są urządzenia wychwytujące pyły różnego typu. Ogólnie, stosowanie mokrych skruberów związane jest z niższymi kosztami inwestycyjnymi i eksploatacyjnymi, ale wymaga wyższego wkładu energetycznego, aby osiągnąć wymaganą skuteczność odpylania. Usuwanie szlamów jest trudne, a woda z płuczki musi być odpowiednio oczyszczona przed spustem. Suche metody odpylania związane są z wyższymi kosztami inwestycyjnymi i wymagają lepszej kontroli właściwości gazów wpływających (temperatura, kondensacja pary wodnej lub par substancji organicznych, odpowiedniego stosunku CO : O 2, iskry), ale zwykle zużywają mniej energii niż w przypadku płuczek wodnych. Ponadto, suchy pył żeliwiakowy może być zawracany do żeliwiaka (por. Rozdział 4.9.4.2.). Zarówno płuczki Venturiego, jak i dezintegratory są stosowane do odpylania żeliwiaków. y tych systemów zostały podane w Rozdziale 4.5.1.3. Separator do usuwania małych cząstek wychwyconych przez kropelki wody jest umieszczony po płuczce wodnej. W zakresie suchych systemów odpylania można przedstawić następujące uwagi: - multicyklony: Są one często stosowane w połączeniu z filtrem tkaninowym i działają jako urządzenia do zatrzymywania pyłów gruboziarnistych. Pomagają zapobiegać żarzeniu się cząstek koksu, które mogłyby dostać się do tkaniny filtracyjnej. Do budowy cyklonu stosowane są wyłożenia z materiałów ognioodpornych i stali wysokogatunkowych, dzięki czemu cyklony mogą pracować w wysokich temperaturach. Należy zauważyć, że skuteczność wychwytywania pyłów przez same cyklony jest nie wystarczająca w świetle obowiązujących dzisiaj przepisów. Z tego też powodu cyklony są stosowane w połączeniu z innymi metodami odpylania. - filtry workowe: Są one idealne, gdy gazy zostają dopalone przed odpylaniem. Pozwala to na unikniecie problemów z osadzaniem się materiałów zawierających węgiel lub zagrożeniem pożarem. Filtry workowe mogą być tak zaprojektowane, aby uzyskiwać dobrą skuteczność wychwytywania cząstek dymów metalurgicznych takich jak ZnO. - elektrofiltry: Te systemy odpylania są mniej popularne w odlewniach europejskich. Układ ten jest najbardziej przydatny do mniej więcej ustabilizowanych warunków pracy, tak jak to ma miejsce w długokampanijnych Kuźnictwo i przemysł odlewniczy 2

żeliwiakach, ponieważ system ten jest czuły na zmiany temperatury, wilgotności i wielkości strumienia gazów. Występuje pewne zagrożenie eksplozją kiedy odpylone niedopalone gazy wymieszają się z powietrzem. Jest to spowodowane stosunkowo dużą objętością elektrofiltra. Dlatego elektrofiltr powinien być przepłukany przed podłączeniem do prądu elektrycznego. Na rys. 4.12 przedstawiono schemat instalacji żeliwiaka z zimnym dmuchem z odzyskiem ciepła i filtrem workowym. Rys. 4.12. Schemat instalacji żeliwiaka z zimnym dmuchem z odzyskiem ciepła, ochładzaniem gazów i filtrem workowym [29, Batz, 1986] Dopalanie Dopalanie gazów odlotowych jest stosowane w celu zoptymalizowania odzysk ciepła (chemicznie związanego jako CO) oraz by oczyścić gazy emitowane na zewnątrz. Przy dopalaniu CO równocześnie pozostałości materiałów zawierających węgiel zostają utlenione do CO 2 i H 2 O. Ten proces generuje ciepło, które może być odzyskane w wymienniku ciepła, a następnie dostarczone do użytkownika na zewnątrz (n.p. podgrzewanie powietrza dmuchu). Typowe układy są następujące: - komora dopalania jest umieszczona przed (filtr workowy) lub za (filtr mokry) instalacją odpylającą (dla ujęcia gazów poniżej okna wsadowego); jest to dyskutowane w rozdziale 4.5.2.2. - palniki (na gaz ziemny) lub kontrolowane wdmuchiwanie powietrza do szybu żeliwiaka (dla gazów odlotowych wychwytywanych powyżej okna wsadowego); jest to dyskutowane w rozdziale 4.5.2.3. Przy projektowaniu tego systemu trzeba mieć pewność, że gazy odlotowe będą miały temperaturę powyżej 800 o C i będą przebywały w tej temperaturze przez wystarczający okres, tj. 2 sekund, co zapewnia całkowite utlenienie gazów odlotowych. Poniżej są przedyskutowane i szczegółowo opisane różne systemy tego typu. Osiągnięte korzyści środowiskowe Kuźnictwo i przemysł odlewniczy 3

Koniecznym działaniem jest wychwycenie gazów odlotowych i ich oczyszczenie, aby zmniejszyć emisję produktów pochodzących ze spalania koksu takich, jak: CO, NO x, SO 2, HF, PCDD/F i pyłów. Dopalanie CO pozwala (dodatkowo) na odzysk ciepła z gazów odlotowych z żeliwiaka. Ponadto umożliwia topienie złomu zanieczyszczonego olejami i smarami bez dodatkowych niekorzystnych efektów dla środowiska co stymuluje recykling metali. Dopalanie bez odzysku ciepła powoduje negatywny bilans środowiskowy (por. Oddziaływanie na środowisko) Oddziaływanie na środowisko Systemy odpylania wytwarzają pył, który wymaga usuwania. Ilość powstającego pyłu wynosi 5 13 kg/tonę ciekłego żeliwa. Pył ten może być zawracany do żeliwiaka. Zagadnienie to jest dyskutowane w Rozdziale 4.9.4.2. Charakterystyka pyłu została już podana w Rozdziale 3.2.2.2. Dopalanie CO bez odzysku ciepła ma negatywny wpływ na środowisko, ponieważ konieczne jest zainstalowanie palników o mocy kilkudziesięciu kw. Palniki te dają emisję gazów spalinowych i zużywają dodatkowo tlen. Dane eksploatacyjne Filtry tkaninowe maja skuteczność odpylania ponad 99%. Średnia dzienna emisja jest znacznie poniżej 10 mg/nm 3. Sumaryczna zawartość metali Pb, Zn, Cr, Cu, Mn, V, Sn, Cr, Ni, As i Cd osiąga wartość około 20% całkowitej masy pyłu. Dane przedstawione w tabeli 4.36 zostały zebrane przez Federalną Agencję Środowiska w Niemczech z działających zakładów. Dane te obejmują 3 zakłady. Kuźnictwo i przemysł odlewniczy 4

Wydajność Projektowana wartość Wartość rzeczywista Strumień gazów wylotowych Projektowana wartość Wartość rzeczywista Jednostki Zakład D Zakład E Zakład F Początkowo Po przebudowie t/h t/h 7.5-8 7.0 Nm 3 /h Nm 3 /h 25000 19800 30000 22300 20000 17400 b.d. 14300 Rok konstrukcji filtra 1981 1995 1988 1985 Ostatnia wymiana tkaniny b.d. 1995 1988 1993 filtracyjnej Data pomiaru 07/1981 11/1997 03/1993 03/1993 Emisje mg/nm 3 pył gaz surowy gaz oczyszczony średnio 1 min. maks. gazowe 2 SO 2 NO x C całkowity CO CO 2 % 1623-2674 21.5 18.0 25.4 288 43 b.d. 700 7 <1 <1 <1 b.d. b.d. b.d. b.d. b.d. b.d. 3 1 5 174 24 22 11890 4.9 b.d. 3 2 4 227 31 7 18980 3.9 Emisje metali ciężkich mg/nm 3 Surowy Oczyszcz. 12.0 11.0 Oczyszczony gaz 6-7 5.5 b.d. 4-5 3.7 b.d. - Cd - Cr - Pb - Zn - Ni - As - Mo 0.0184 0.0019 0.7287 0.0384 29.895 0.2952 16.464 0.2862 0.2024 0.0077 0.7665 0.0149 0.2672 0.0420 0.00313 ( Cu, Mn, Cr, V) 0.00057 Emisja PCDD/F- - czysty gaz 3 - współczynnik emisji Pył na filtrze - zebrana ilość - wychwycone PCDD/F- Materiał filtra Oczyszczanie filtra ngteq/nm 3 gteq/t Fe kg/t Fe μg TEQ/kg b.d. 0.512 1.620 0.085 0.330 6.5 składowane 8.2 do powtórnego wykorzystania 4.850 0.960 Materiał poliester, Włókna Poliester Włóknina pokryty poliamidem syntetyczne Strumieniowe Pod średnim Pneumatycznie pulsacyjne ciśnieniem przy kontrolowanym spadku cisnienia Koszt inwestycyjny EUR `000 385 (1981) 370 (1995/96) b.d. 350 Koszty eksploatacji EUR/tona dobrych odlewów 9,8 (1982) = 3% kosztów odlewu 9,04 (1998) = 2.8% kosztów odlewu b.d. b.d. 1 Średnia ilość pyłu jest obliczana z 3-5 pomiarów wykonywanych co pół godziny 2 Stężenia dwutlenku siarki, tlenku azotu, całkowitego węgla, tlenku węgla i dwutlenku węgla są średnimi z ciągłych pomiarów trwających przez kilka godzin podczas pobierania próbek pyłu lub PCDD/F 3 Czas pobierania próbek 6 godzin b.d.: brak danych Tabela 4.36. Dane eksploatacyjne dla żeliwiaka z zimnym dmuchem wyposażonego w filtr workowy do oczyszczania gazów pochodzące z [43, Batz, 1996], oraz [202, TWG, 2002], [225, TWG, 2003] Dane dla żeliwiaka z gorącym dmuchem są podane w Rozdziale 4.5.2.2. Kuźnictwo i przemysł odlewniczy 5

Możliwości zastosowania Technika ta może być zastosowana we wszystkich nowych i istniejących żeliwiakach. Aspekty ekonomiczne W tabeli 4.36 przedstawiono wielkości emisji i dane ekonomiczne. Najważniejszym elementami kosztów eksploatacyjnych jest energia elektryczna dla pokonania spadku ciśnienia i materiał filtracyjny. Dla instalacji do topienia obejmującej dwa żeliwiaki z zimnym dmuchem o wydajności 4,5 t/h została sporządzona oferta sprzedaży przy następujących założeniach: - urządzenie do oczyszczania gazów o wydajności do 12400 m 3 / dmuchu, z komorą dopalania w temperaturze 820 o C, zapewniającej do: LZO 1 g/nm 3 CO 59100 g/nm 3 - dwa palniki na metan o mocy 390 kw Cena instalacji i uruchomienia 350000 EUR. Przewidywane koszty eksploatacji, przy rocznej produkcji 4500 ton odlewów, oraz 5 letnim okresie zwrotu nakładów i dodatkowo 10% na energię i konserwację wynoszą 23,3 EUR/tona. Powody wdrożenia Przepisy odnośnie emisji do powietrza dla odlewni. Zakłady referencyjne Powyższe techniki są ogólnie stosowane w odlewniach europejskich posiadających żeliwiaki. Literatura [29, Batz, 1986];[32, CAEF, 1997];[110, Vito, 2001];[202, TWG, 2002], [225, TWG, 2003] 4.5.2.2. Dopalanie w komorze dopalania żeliwiaka z gorącym dmuchem Komora dopalania wraz z palnikiem jest zainstalowana za żeliwiakiem. Zazwyczaj oddzielna komora dopalania musi być wstępnie nagrzewana palnikiem na gaz ziemny. Po uruchomieniu żeliwiaka i w czasie jego pracy albo mniejszy palnik podtrzymuje spalanie gazów odlotowych lub gazy ulegają samozapłonowi. Rodzaj i umiejscowienie komory może być różne w zależności od procesu. Stosowane są komory dopalania zarówno poziome, jak i pionowe. Żeliwiak z gorącym dmuchem z rekuperatorem i mokrym skruberem (rys. 4.13.) W tym układzie gazy są odpylane przed dopaleniem. Zmniejsza się w ten sposób zagrożenie wbudowywania się pyłu w rekuperator, przez co poprawia się efektywność wymiany ciepła. Wadą tego układu jest wyższe zużycie energii w instalacji do dopalania, ze względu na to, że gazy zostają ochłodzone w płuczce wodnej. Wcześniejsze ochłodzenie gazów wylotowych prowadzi w konsekwencji do zmniejszenia rozmiarów instalacji do odpylania. Kuźnictwo i przemysł odlewniczy 6

Rys. 4.13. Żeliwiak z gorącym dmuchem i rekuperatorem oraz mokrym skruberem [32, CAEF, 1997] Żeliwiak z gorącym dmuchem z rekuperatorem i filtrem workowym (rys. 4.14.). Gorące gazy, obciążone pyłem są kierowane bezpośrednio do komory dopalania. Konieczna jest ścisła kontrola procesu, aby zapobiec przypiekaniu się cząstek pyłu do ścian rekuperatora, który powinien być regularnie czyszczony. Gazy powinny być następnie ochłodzone przed wprowadzeniem na filtr workowy, ponieważ opuszczając rekuperator mają temperaturę 500 600 o C. Rys. 4.14. Żeliwiak z gorącym dmuchem i rekuperatorem oraz filtrem workowym [32, CAEF, 1997] Kuźnictwo i przemysł odlewniczy 7

Osiągnięte korzyści środowiskowe Dopalanie ogranicza emisję CO i eliminuje w większości związki organiczne. Jeżeli nie stosuje się dopalania, mogłyby one być wychwycone wraz z pyłem i wyemitowane przez komin. Ponadto dopalanie zmniejsza zagrożenie pojawienia się ognia w filtrze. Oddziaływanie na środowisko W przypadku stosowania technik suchego odpylania powstają pyły, które się składuje (4 12 kg/tonę ciekłego żeliwa). Pył ten może być zawracany do żeliwiaka. Zagadnienie to jest dyskutowane w Rozdziale 4.9.4.2. Przy stosowaniu technik mokrego odpylania powstają szlamy. Dane eksploatacyjne Dane eksploatacyjne dla żeliwiaka z gorącym dmuchem podano w tabeli 4.37. Dane te dotyczą dwóch zakładów: Odlewnia G pracuje na 3 zmiany przez 5 dni w tygodniu i wytapia 60 ton żeliwa /godzinę. Gazy odlotowe są wychwytywane poniżej okna wsadowego i dopalane w rekuperatorze. Następnie gazy spalinowe są rozdzielone na dwie części: jedna część jest wykorzystywana do wytworzenia dmuchu podgrzanego (T = 600 o C), a druga część przekazywana jest do kotła parowego. Para zasila turbinę, która napędza generator lub kompresor. Pozostała część ciepła jest wykorzystywana do wstępnego podgrzewania powietrza w rekuperatorze. Ostatecznie gazy odlotowe są oczyszczane na filtrze workowym. Dalsza dyskusja odnośnie opisanej instalacji jest podana w Rozdziale 4.7.3. Pył z filtra workowego jest zawracany do żeliwiaka, po wcześniejszym zmieszaniu z koksem naftowym. Ten problem jest dyskutowany w Rozdziale 4.9.4.2. Odlewnia H pracuje na 3 zmiany przez 5 dni w tygodniu i wytapia 70 ton żeliwa /godzinę. Gazy odlotowe są wychwytywane poniżej okna wsadowego i przemywane w desintegratorze, przed dopaleniem w rekuperatorze. Uzyskane ciepło jest wykorzystywane do podgrzewania dmuchu powietrza i dalej odzyskuje się z nich ciepło, zanim gazy opuszczą komin posiadając temperaturę 220 o C. Dalsza dyskusja odnośnie instalacji do odzysku ciepła jest podana w Rozdziale 4.7.3. Ścieki, po osadzeniu części stałych, są zawracane do obiegu. Objętość cyrkulującej wody wynosi 440 m 3 /godzinę. Szlam z osadnika, przed składowaniem, jest suszony w prasie filtracyjnej do zawartości 50% suchej pozostałości. Do miejskiej oczyszczalni ścieków przekazywane jest około 80 m 3 /dzień ścieków. Kuźnictwo i przemysł odlewniczy 8

Jednostki Zakład G Zakład H Wydajność topienia tona/h 40 50 Przepływ gazów odlotowych Nm 3 /h 73000 55000 Temperatura gorącego dmuchu C 600 570 Temperatura gazów wylotowych C 127 220 Data konstrukcji instalacji do 1989 1983 oczyszczania gazów spalinowych Data pomiarów 10/1990 Pomiar kontrolny Emisje - Pył gaz surowy gaz oczyszczony: średnia 1 - Gazowe SO 2 NO x C całkowity CO O 2 maksimum mg/nm 3 % 1300-4300 1.1 1.8 33 44 <5 32 12.2 09/1993 8000-20000 6.1 7.3 15.6 52.5 28.6 (FID) <100 6.4 Emisja metali ciężkich Cr Cr całkowity Pb Zn Ni mg/nm 3 Gaz oczyszczony 3 <0.001 <0.001 <0.001 <0.011 b.d. Gaz oczyszczony <0.0022 b.d. 0.11 0.36 <0.004 Emisja 1 PCDD/F gaz oczyszczony 4 współczynnik emisji Pył z filtra/szlam jednostkowa wielkość zawartość PCDD/F Wykorzystanie odpadowego ciepła ng TEQ/Nm 3 μg TEQ/tona Fe kg/tona Fe μg TEQ/kg 0.048 0.089 Recykling pyłu 4.5 0.176 Powietrze do gorącego dmuchu, para do produkcji elektryczności w ilości do 3 MW 0.003 0.004 Placki z prasy filtracyjnej do utylizacji 5.5 1.4 Powietrze do gorącego dmuchu. Podgrzewanie oleju do przetwarzania ciepła odpadowego na cele grzewcze lub do suszenia do 21 MW Koszty inwestycyjne DEM `000 26400 22700 w 1980/81 Koszty eksploatacji DEM/tona Patrz dane w tekście dla Patrz dane w tekście dla dobrego odlewu Odlewni G Odlewni H 1 Średnia ilość pyłu jest obliczona na podstawie 5-6 pomiarów wykonywanych co 0,5 godziny i 2 wyników 2- godzinnych pomiarów dla PCDD/F. 2 Stężenia dwutlenku siarki, tlenku azotu, całkowitego węgla, tlenku węgla i dwutlenku węgla są średnimi z ciągłych pomiarów trwających przez kilka godzin podczas pobierania próbek pyłu lub PCDD/F. 3 Podczas pomiarów nie był prowadzony recykling pyłów. 4 Czas pomiaru 2 godziny b.d.: brak danych Uwaga: Próbki gazu surowego (nieczyszczonego) były pobierane przed filtrem workowym w odlewni G i przed dezintegratorem w odlewni H; próbki gazu oczyszczonego były pobierane za filtrem workowym w odlewni G i za rekuperatorem w odlewni H Tabela 4.37. Dane eksploatacyjne dla żeliwiaka z gorącym dmuchem, gdzie do wychwytywania pyłów zastosowano filtr workowy i dezintegrator [17, Strauss, 1983];[27, Kran, et al.,1995];[202, TWG, 2002] Dopalanie dymów w komorze dopalania nie wymaga zbyt wiele energii, ponieważ dymy te generalnie zawierają dostateczną ilość CO. Jednak cała instalacja obróbki dymów (komora dopalania + wymiennik ciepła + filtr lub płuczka wodna + wentylatory) wymaga energii Kuźnictwo i przemysł odlewniczy 9

elektrycznej i regularnej obsługi. W tabeli 4.38 podano przykłady zużycia energii żeliwiaka z gorącym dmuchem. dla Wydajność godzinowa żeliwiaka Rodzaj odpylania Zużycie gazu w komorze dopalania kwh/t wsadu Zużycie elektryczności dla systemu oczyszczania dymów kwh/t wsadu 12 Filtr 59 46 12 Filtr 124 72 26 Filtr 42 b.d. 17 Elektrofiltr (mokry) 16 38 Tabela 4.38. Zużycie energii dla żeliwiaka z gorącym dmuchem Możliwości zastosowania Podczas projektowania systemów odpylających należy bardzo zwracać uwagę na zmniejszenie całkowitego strumienia gazów, które maja być poddane obróbce. Ilość powietrza wlotowego do spalania musi być utrzymywana na minimalnym poziomie. Z tego tez powodu oddzielne jednostki do dopalania są zawsze instalowane w połączeniu z ujęciem gazów poniżej okna wsadowego. Z ekonomicznego punktu widzenia (por. poniżej) komora dopalania jest stosowana tylko w przypadku żeliwiaków z gorącym dmuchem. Aspekty ekonomiczne Wysokie zużycie energii w operacji dopalania jest tylko wówczas ekonomicznie uzasadnione, gdy ciepło zawarte w gazach odlotowych może być ponownie wykorzystane, tak jak to ma miejsce w przypadku żeliwiaka z gorącym dmuchem współpracującego z rekuperatorem. Jednak przechodzenie z żeliwiaka z zimnym dmuchem na żeliwiak z gorącym dmuchem jedynie z powodu dopalania gazów, w pewnych przypadkach może być ekonomicznie nieuzasadnione. Żeliwiaki z gorącym dmuchem, preferowane dla pracy długo kampanijnej, wymagają wyższych nakładów inwestycyjnych i są stosowane tylko przy wydajności 10 ton ciekłego żeliwa/godzinę lub wyższej. W odlewniach mniejszych tego typu metoda produkcji nie jest wyborem prawidłowym. W tabeli 4.37. podano dane ekonomiczne dla wybranych odlewni. Dla odlewni G podano wielkość nakładów inwestycyjnych dla instalacji żeliwiaka z gorącym dmuchem wraz z filtrem workowym i znacznym odzyskiem ciepła. Koszty eksploatacyjne w roku 1994 (po modernizacji topialni) były o 25% niższe niż w roku 1985, tzn. wówczas gdy pracował stary piec. Dla odlewni H w tabeli podano koszty inwestycyjne w latach 1980-1981. Po modernizacji koszty eksploatacyjne spadły o 2% /tonę ciekłego żeliwa. Powody wdrożenia Wartości określające dopuszczalną emisje i ciągły monitoring CO oraz wartości określające dopuszczalną emisję związków organicznych. Zakłady referencyjne Techniki te są ogólnie stosowane dla instalacji żeliwiaków z gorącym dmuchem w Europie Literatura [17, Strauss, 1983], [27, Kran i in., 1995], [32, CAEF, 1997], [Godinot i in., 1999], [202, TWG, 2002] 4.5.2.3. Dopalanie w szybie żeliwiaka Kuźnictwo i przemysł odlewniczy 10

Gazy są dopalane przez powietrze wdmuchiwane do górnej części wsadu lub w miejsce położone powyżej górnego poziomu wsadu. Strumień powietrza jest regulowany tak, aby gazy odlotowe zapalały się samorzutnie, dzięki zawartości CO i temperaturze. Dysze do wdmuchiwania powietrza mogą być umieszczone na jednym lub dwóch poziomach. Eksperymentalnie dobiera się rozdział strumienia powietrza pomiędzy różne poziomy dysz, średnice dysz i ich umiejscowienie. Celem jest optymalne dopalenie CO bez zapłonu koksu. Powietrze będzie również zasysane przez okno wsadowe. Ten nadmiar powietrza pozwala na bardziej pełne dopalenie CO. Można zastosować dodatkowy palnik, aby podtrzymać płomień. Jeżeli użyje się bardzo małego wsadu koksu (tj. < 6 8%) ten sposób jest uzasadniony. Dopalanie gazów odlotowych musi być połączone z ochładzaniem gazów, jeżeli zastosuje się filtr workowy. W przypadku żeliwiaków z gorącym dmuchem, ochładzanie jest połączone z podgrzewaniem dmuchu powietrza. Dla żeliwiaków z zimnym dmuchem, szybkie ochłodzenie gazów można uzyskać stosując wtrysk wody do szybu pieca. Alternatywnie można zastosować wymiennik ciepłą (gazy odlotowe powietrze). Jest to przedstawione na rys. 4.15. Rys. 4.15. Zasada dopalania i chłodzenia gazów odlotowych w żeliwiaku z zimnym dmuchem [157, Godinot i in., 1999] Instalowanie jednostki do dopalania gazów w żeliwiaku z zimnym dmuchem może być połączone z pełną modyfikacją konstrukcji na żeliwiak z gorącym dmuchem. Charakterystyki żeliwiaka z gorącym dmuchem i długokampanijnego są przedyskutowane w Rozdziale 2.4.1. Osiągnięte korzyści środowiskowe Dopalanie ogranicza emisję CO i eliminuje większość związków organicznych. Jeżeli nie ma dopalania, to związki te mogłyby być wychwycone wraz z pyłami lub wyemitowane przez komin. Ponadto dopalanie zmniejsza niebezpieczeństwo pojawienia się ognia w filtrze. Technika ta jest znana jako ta, która pozwala uniknąć zagrożenia eksplozją w pewnych sytuacjach. Korzystny wpływ na środowisko jest ograniczony do tych przypadków, kiedy gazy odlotowe są dopalane automatycznie przez większość czasu. W przeciwnym bowiem przypadku zużycie energii będzie kompensować redukcję ilości CO. Kuźnictwo i przemysł odlewniczy 11

Oddziaływanie na środowisko Jeżeli gazy odlotowe z żeliwiaka nie zapalają się samorzutnie, wówczas konieczna jest instalacja zapłonowa lub wspomagający palnik. Zużywają one znaczną ilość energii i zwiększa się objętość całkowita gazów spalinowych. Dane eksploatacyjne Przeanalizowano na skalę przemysłową i porównano przez CTIF dwa układy (dopalanie w szybie) chłodzenia gazów z żeliwiaków z zimnym dmuchem. Żeliwiak I był wyposażony w instalację do wtryskiwania wody do szybu, cyklon i filtr workowy. Żeliwiak J był wyposażony w wymiennik ciepła gaz-powietrze, cyklon i filtr workowy. Dane eksploatacyjne dla obu tych układów podano w tabeli 4.39. Wyniki pomiarów kampanijnych i odniesienie do obowiązujących przepisów podano w tabeli 4.40. Parametr Jednostka Odlewnia I Odlewnia J Wydajność topienia ton/h 10.3 9.2 Pierwotny + wtórny przepływ powietrza Nm 3 /h 7389 6484 Przepływ powietrza przy dopalaniu Nm 3 /h 2372 1549 Przepływ wody l/h 2678 Przepływ gazów spalinowych (komin) Nm 3 /h 26780 39179 Czas dopalania przed filtrem workowym s 10.5 12.3 Czas chłodzenia s <1.7 6.01 Całkowita skuteczność dopalania CO % 66 96.5 Tabela 4.39. Dane eksploatacyjne dla dwóch przykładów chłodzenia gazów dopalanych w szybie: chłodzenie wodą (I) i chłodzenie powietrzem (J) [157, Godnot i in., 1999] Odlewnia I Odlewnia J Arrete du 02/02/98 Wartość Granica do Składnik Analiza Strumień Analiza Strumień graniczna rozpatrywania* Pył 1.7-2.8 mg/nm 3 0.04-0.07 kg/h 1 mg/nm 3 100 mg/nm 3 <1 kg/h 3-5 g/t 34 g/t 200 g/t wytop= 8 ton/h CO 450 Nm 3 /h 560 kg/h 35 Nm 3 /h 44 kg/h 50 kg/h HCl 22 mg/nm 3 0.4 kg/h 9.2 mg/nm 3 0.35 kg/h 50 mg/nm 3 1 kg/h HF 13 mg/nm 3 0.24 kg/h 4.8 mg/nm 3 0.18 kg/h 5 mg/nm 3 0.5 kg/h HCN <0.007 mg/nm 3 0.13 g/h <0.01 mg/nm 3 0.38 kg/h 5 mg/nm 3 50 g/h NH 3 0.61 mg/nm 3 12 g/h 0.10 mg/nm 3 3.8 g/h 50 mg/nm 3 100 g/h NOx 9 mg/nm 3 0.17 kg/h 15 mg/nm 3 0.57 kg/h 500 mg/nm 3 25 kg/h LZO NIE 13 mg/nm 3 0.25 kg/h 6 mg/nm 3 0.23 kg/h 110 mg/nm 3 2 kg/h METANOWE *: Jeśli strumień jest poniżej granicy rozpatrywania, zmierzona wartość może przekraczać wartość graniczną Tabela 4.40. Analiza wyników i obowiązujących przepisów (Francja) dla procesu dopalania w żeliwiaku z zimnym dmuchem przy stosowaniu chłodzenia wodą (I) oraz powietrzem (J) [157, Godinot i in., 1999] Chłodzenie wodą daje skuteczność rozkładu CO na poziomie 66% co pozwala spełnić obowiązujące przepisy. Przy chłodzeniu gazów odlotowych za pomocą wymiennika ciepła uzyskuje się lepszą skuteczność (98%). Szersza dyskusja odnośnie systemów chłodzenia podana jest w Rozdziale 4.5.2.1. Możliwości zastosowania Zmiana miejsca odprowadzania gazów w eksploatowanych już żeliwiakach z poziomu powyżej na poziom poniżej okna wsadowego jest w większości przypadków niemożliwa. Kuźnictwo i przemysł odlewniczy 12

Dlatego też dopalanie gazów odlotowych w szybie pieca jest najbardziej realnym rozwiązaniem dla żeliwiaków, w których odbiór gazów jest powyżej okna wsadowego. Z ekonomicznego punktu widzenia zastosowanie dopalania gazów ma głównie sens w przypadku żeliwiaków z gorącym dmuchem. Jednak ostatnio zostały opracowane układy dopalania gazów dla żeliwiaków z zimnym dmuchem, bez komplikacji wynikających z instalacji gorącego dmuchu. Taki system działa obecnie we Francji. Dlatego też dopalanie gazów w szybie pieca stosowane jest w żeliwiakach z gorącym i zimnym dmuchem. W Republice Czeskiej przeanalizowano wiele instalacji żeliwiaków z zimnym dmuchem pod kątem możliwości zastosowania dopalania w szybie. Dopalanie nie było samorzutne w żadnym przypadku w czasie całego okresu topienia. W każdym przypadku konieczne było instalowanie palników zapłonowych znacznej mocy. Wzrosła również objętość emitowanych z żeliwiaka gazów. Aspekty ekonomiczne Przy rozpatrywaniu korzyści wynikających ze stosowania dopalania należy zwrócić uwagę na duże zużycie energii. W przypadku żeliwiaków z gorącym dmuchem ciepło odzyskane z gazów odlotowych może być ponownie wykorzystane, co czyni tą inwestycję bardziej ekonomiczną. Wysokie zużycie energii podczas dopalania jest tylko wtedy ekonomicznie uzasadnione, gdy odzyskane ciepło z gazów odlotowych może być wykorzystane ponownie, jak to ma miejsce w żeliwiaku z gorącym dmuchem i rekuperatorem. Jednak przejście z żeliwiaka z zimnym dmuchem na żeliwiak z gorącym dmuchem wyłącznie z powodu prowadzenia dopalania gazów nie jest możliwe. Żeliwiaki z gorącym dmuchem, bardziej przydatne w układzie dlugokampanijnym, wymagają większych nakładów inwestycyjnych i są stosowane jedynie przy wydajności co najmniej 10 ton ciekłego żeliwa/godzinę lub większej. W przypadku małych odlewni żeliwiaki z gorącym dmuchem nie są prawidłowym wyborem. Koszty inwestycyjne dla podwójnego żeliwiak z zimnym dmuchem o średnicy wewnętrznej 850 mm, który produkuje 4,5 tony ciekłego żeliwa/godzinę, przez 10 godzin dziennie, przez 5 dni w tygodniu są rzędu 300.000 EUR Powody wdrożenia Wartości określające dopuszczalną emisje i ciągły monitoring CO oraz wartości określające dopuszczalną emisję związków organicznych. Zakłady referencyjne Podawane są 2 przykłady zastosowania tej techniki w odlewniach we Francji. Literatura Gorący dmuch: [150, ETSU, 1998], [202, TWG, 2002] Zimny dmuch: [157, Godinot i in., 1999], [202, TWG, 2002] 4.5.3. Elektryczny piec łukowy (EAF) 4.5.3.1. Odciąg gazów Cząstki stale emitowane z elektrycznego pieca łukowego są bardzo drobne i trudne do wychwycenia. Wychwycenie dymów i pyłów jest najtrudniejszym problemem do Kuźnictwo i przemysł odlewniczy 13

rozwiązania, kiedy instaluje się system odpylania elektrycznego pieca łukowego. Istnieje w tym zakresie kilka metod, które posiadają różne zalety i wady. Na rys. 4.16. przedstawiono zasady usuwania gazów metodą: okapu zamontowanego na pokrywie pieca, okapu do odprowadzania bocznego i czwartego otworu. Rys. 4.16. Zasady odprowadzania gazów: (a) okap zamontowany na pokrywie, (b) okap do odprowadzania bocznego (c) bezpośrednie odprowadzenie przez czwarty otwór - Okapy zamontowane na pokrywie: Okap jest zamontowany na pokrywie pieca i wyłapuje dymy przedostające się przez szczelinę pomiędzy płaszczem pieca a pokrywą. Ponadto wyłapywane są również dymy wydostające się z okna roboczego i otworu spustowego. Okapy montowane na pokrywie są ciężkie i ulegają uszkodzeniu przez ciepło. Jeżeli są one montowane na eksploatowanych już piecach, problemy mogą wzrosnąć z powodu dodatkowego obciążenia mechanizmu podnoszącego i obracającego pokrywę. Typowa wydajność takiego systemu wynosi 7500 do 15000 Nm 3 /tonę. - Okapy do odprowadzania bocznego: Okap jest montowany na pokrywie pieca i wychwytuje dymu emitowane przez otwory, w których znajdują się elektrody. Łopatki kierują strumień powietrza do okapu. Do wychwytywania gazów emitowanych znad okna roboczego i otworu spustowego są stosowane dodatkowe okapy. W przypadku okapów bocznych konieczne są wyższe szybkości odciągania, w porównaniu z okapami montowanymi na pokrywie, ponieważ potrzebne są wyższe szybkości ciągu dla wychwycenia dymów. Jeżeli nie ma odpowiedniego uszczelnienia, może nastąpić przedostawanie się niektórych zanieczyszczeń do atmosfery hali. Są również informacje, że przy stosowaniu bocznych okapów zwiększa się zużycie elektrod. - Okap odciągowy: Duży okap odciągowy jest zamontowany ponad całym piecem i powyżej systemu załadowczego. Powstają duże szczeliny pomiędzy piecem a systemem odciągowym, co czyni trudnym kontrolę rosnącej ilości dymów i pyłów, nawet przy zastosowaniu dużych wydajności usuwania. Przecinanie się ciągów może poważnie zaburzyć skuteczność systemu. Te wady mogą spowodować, że powyższy system wychwytywania gazów będzie mało interesujący. - Odprowadzanie bezpośrednio z pieca lub przez czwarty otwór : Dymy są wychwytywane przez przewody chłodzone woda lub z wyłożeniem ognioodpornym podłączone do czwartego otworu w pokrywie pieca. Powietrze z otoczenia jest zasysane przez połączenia w przewodach, dzięki czemu dostarczany jest tlen do spalania CO w nierozcieńczonych i gorących odciąganych gazach. Zapobiega to eksplozji w układzie wychwytywania pyłów. Wymiary komory dopalania są takie, aby zapewnić wystarczające dopalanie na wszystkich etapach procesu topienia. Spalony gaz (900 o C) jest chłodzony przez rozcieńczanie powietrzem z otoczenia, wtryskiem wody, poprzez Kuźnictwo i przemysł odlewniczy 14

wymiennik ciepła (płaszcz wodny) lub przez stosowanie długich przewodów. Chłodzenie jest konieczne, aby ochronić filtr pyłowy. Zastosowanie systemu kontroli ciśnienia w piecu pozwala na użycie stosunkowo małych szybkości odciągania rzędu 2000 do 4000 Nm 3 /tonę. Zużycie elektrod jest w tej metodzie na ogół wyższe ze względu na proces utleniania. - Częściowa obudowa pieca: Wokół pieca i miejsca spustu montowane są ruchome lub stałe obudowy. Ruchome obudowy są usuwane, aby umożliwić załadunek i spust, natomiast obudowy stałe są wyposażone w ruchome dachy i ściany z tego samego powodu. Gazy odlotowe są odprowadzane przez główny przewód znajdujący się w górnej części obudowy. Proces ten jest wspomagany przez wentylatory znajdujące się wewnątrz przewodu, które kierują dymy do wylotu. Skuteczność tego systemu wychwytywania gazów wynosi do 98%. - Pełna obudowa pieca: System ten składa się z pełnej obudowy otaczającej piec i kadź Obudowa jest wyposażona w ruchome sklepienie i/lub z bocznymi płytami umożliwiającymi załadunek i spust. Mogą one być wyposażone w kurtyny powietrzne zmniejszające straty gazów. Wadą tej techniki jest wysoka temperatura i poziom hałasu wewnątrz obudowy. Jednak zaletami są niski poziom hałasu na zewnątrz i małe zużycie energii. Zużycie energii jest oceniane na około 30 50% mniejsze niż w przypadku okapu odciągowego. Osiągnięte korzyści środowiskowe Wychwytywanie gazów odlotowych pozwala na kontrolowane usuwanie i obróbkę strumienia gazów, co w konsekwencji umożliwia minimalizacje emisji zarówno niezorganizowanej, jak i zorganizowanej. Oddziaływanie na środowisko Wychwytywanie gazów odlotowych powoduję wzrost zużycia energii. Jeżeli równocześnie następuje oczyszczanie tych gazów, to dodatkowo będzie powstawał pył, który wymaga składowania lub może być ponownie wykorzystywany. Dane eksploatacyjne W tabeli 4.41 przedstawiono typowe natężenia przepływu gazów odlotowych i skuteczność usuwania cząstek dla różnych systemów. Natężenie przepływu gazów odlotowych dla danej wydajności pieca Skuteczność usuwania cząstek stałych, (%) 3.9 t/h 9.1 t/h 22.7 t/h Zakres Typowo maks. Okap boczny 12.9 19.8 50.00 90-100 99 Okap zamontowany 7.7 11.9 30.00 95-100 99 na pokrywie Bezpośredni odciąg 3.2 5.0 12.5 90-100 99 Pełna obudowa 35-42 Tabela 4.41 Typowe natężenia przepływu gazów odlotowych (w m 3 /s) i skuteczność usuwania cząstek stałych przez systemy wychwytywania stosowane w elektrycznych piecach łukowych [173, Huelsen, 1985] W jednej z odlewni polskich zainstalowano całkowitą obudowę dwóch pieców łukowych (doghouse) każdy o pojemności 8,5 tony, co spowodowało obniżenie natężenia hałasu podczas topienia z 91 dba do poniżej 85 dba. Kuźnictwo i przemysł odlewniczy 15

Możliwości zastosowania Omówione powyżej techniki są dostępne dla wszystkich nowych i istniejących elektrycznych pieców łukowych przy następujących ograniczeniach: - jeżeli okapy na pokrywie są montowane na eksploatowanych już piecach, to mogą pojawić się problemy związane z obciążeniem mechanizmu podnoszącego i obracającego pokrywę. - bezpośrednie usuwanie gazów przez wykorzystanie czwartego otworu jest ograniczone do dużych pieców, jako że pokrywa musi być wystarczająco duża, aby można było umieścić czwarty otwór bez osłabienia struktury. Technika ta nie jest zalecana przy wytapianiu żeliwa, ponieważ przy dopływie świeżego powietrza następuje nadmierne utlenianie węgla. Aspekty ekonomiczne Konstrukcja i montaż obudowy dwóch elektrycznych pieców łukowych, każdy o pojemności 8,5 tony wymagały nakładów inwestycyjnych 275 000 EUR (w cenach 1996 roku), wyłączając koszty dalszego oczyszczania przewodów i układu filtrującego. Powody wdrożenia Poprawa warunków pracy pracowników. Jest to możliwe przez stosowanie techniki oczyszczania gazów odprowadzanych w sposób zorganizowany. Zakłady referencyjne obudowa: Metalodlew, Kraków (PL) wychwytywanie gazów: Metso Lokomo Steels and Sulzer Pumps Kargula Foundry (FIN) Literatura [29, Batz, 1986], [32, CAEF, 1997], [173, Huelsen, 1985], [199, Metalodlew s.a., 2002] 4.5.3.2. Oczyszczanie gazów odlotowych System oczyszczania gazów odlotowych z elektrycznego pieca łukowego musi być wysoce sprawny, ponieważ cząstki w nich zawarte są małe. Do odpylania gazów odlotowych szeroko stosowane są filtry tkaninowe. Płuczki wodne lub dezintegratory są stosowane w mniejszym stopniu ze względu na wyższe zużycie energii, konieczność oczyszczania wody przed spustem i z powodu konieczności składowania lub recyklingu mokrych szlamów filtracyjnych. Szeroko są stosowane filtry tkaninowe zamiast elektrofiltrów, ponieważ są bardziej odporne na duże zmiany temperatury gazów i stężenia cząstek w gazach odlotowych. Jeżeli stosowany jest filtr tkaninowy należy zachować środki ostrożności, aby chronić tkaninę filtracyjną, tak jak to przedyskutowano w Rozdziale 4.5.1.3. Obejmują one: - stosowanie wysokotemperaturowych cyklonów lub multicyklonów, - stosowanie instalacji do ochładzania gazów. Gazy odlotowe są chłodzone przez rozcieńczenie powietrzem z zewnątrz, wtryskiwanie wody (oziębianie), wymienniki ciepła lub stosowanie długich instalacji przewodów. W szczególności wtryskiwanie wody ma dodatkową zaletę, taką że szybkie chłodzenie gazów odlotowych zapobiega ponownemu łączeniu się częściowo dopalonych substancji organicznych, a tym samym emitowane gazy są czystsze. System chłodzenia wymaga skutecznego systemu kontroli, aby zapobiec przedostawaniu się na filtr tkaninowy zbyt gorących gazów. Osiągnięte korzyści środowiskowe Kuźnictwo i przemysł odlewniczy 16

Zmniejszenie wielkości emisji cząstek stałych z elektrycznych pieców łukowych. Oddziaływanie na środowisko Stosowanie mokrych technik odpylania powoduje wyższe zużycie energii, konieczność obróbki wody przed spustem i konieczność składowaniu lub recyklingu mokrego szlamu filtracyjnego. Dane eksploatacyjne Dane eksploatacyjne są podane w Rozdziale 3.2.3.4. Obecnie stosowane filtry workowe mają stosunek powietrze : tkanina filtracyjna pomiędzy 2:1 3:1. Jest to stosunek objętości powietrza przepływającego przez filtr do powierzchni tkaniny filtracyjnej i jest wyrażony w (m 3 /s)/m 2, co daje taki sam wynik, jak szybkość przepływu powietrza przez tkaninę filtracyjną. Możliwości zastosowania Techniki te mogą być stosowane do wszystkich nowych i istniejących instalacji. Aspekty ekonomiczne Koszty zainstalowania nowego urządzenia do wychwytywania gazów i usuwania pyłów w istniejącej polskich odlewni posiadającej 2 elektryczne piece łukowe każdy o wydajności 8,5 tony/godz. przedstawiono w Tabeli 4.42. Emisja pyłów została zredukowana z 10 13 kg/godz. i 145 150 mg/nm 3 do 0,2 0,25 kg/godz. i 2,8 2,9 mg/nm 3. Wraz z główną emisją zmniejszyła się emisja niezorganizowana z topialni. Koszty inwestycyjne 1.1 EUR* Założenie i przerobienie starego kolektora 115000 Konstrukcja i montaż obudowy na dwóch piecach 275000 Zakup i montaż jednostki filtrującej oraz urządzeń elektrycznych 560000 Badania, wdrożenie i nadzór 80000 Koszty eksploatacji EUR/rok Amortyzacja 100000 Energia elektryczna 88000 Naprawy i serwis 1500 *Ceny przeliczone ze zł w 1999 Tabela 4.42 Koszt budowy instalacji wychwytującej i oczyszczającej gazy odlotowe z elektrycznych pieców łukowych [199, Metalodlew s.a., 2002] Powod wdrożenia Przepisy ograniczające emisję pyłów z procesów topienia metali Przykładowe zakłady obudowa z instalacją filtrów workowych: Metalodlew, Kraków (PL) Metso Lokomo Steels and Sulzer Pumps Kargula Foundry (FIN) Literatura [173, Huelsen, 1985], [32, CAEF, 1997], [29, Batz, 1986], [199, Metalodlew s.a., 2002] 4.5.4. Piec indukcyjny 4.5.4.1. Wychwytywanie gazów odlotowych Wychwytywanie dymów i pyłów jest najtrudniejszym problemem do rozwiązania w przypadku bezrdzeniowych pieców indukcyjnych, ponieważ nie posiadają one szybu Kuźnictwo i przemysł odlewniczy 17

odciągowego. W ciągu ostatnich 10 lat zostało opracowanych kilka metod, z których każda ma swoje zalety i wady. - Ogólna wentylacja miejsca pracy: Dla zwiększenia naturalnej konwekcji dymów i oparów oraz skierowania ich na zewnątrz stosuje się połączenie szczelin wentylacyjnych zamontowanych na ścianach i wentylatorów zamontowanych w okapie usytuowanym nad poziomem pieców. Nawet przy stosowaniu przegród zawieszonych pod dachem i dużych szybkości odciągania gazów skuteczność tej techniki jest często mała i może być łatwo zakłócona przez ciągi powietrza. - Okap odciągowy: Ponieważ niżej umieszczone okapy mogą kolidować z systemami załadowczymi, dlatego też większe okapy muszą być instalowane powyżej urządzenia załadowczego. W ten sposób tworzy się duża przerwa pomiędzy piecem, a systemem odciągowym, przez co trudno jest kontrolować wzrost ilości dymów i pyłów, nawet kiedy stosuje się duże szybkości odciągania gazów. Przecinające się ciągi powietrza mogą poważnie zakłócić skuteczność tego systemu. Te wady czynią powyższy system mało przydatny. - Okapy boczne wahadłowe, okapy odchylające się na bok: Okapy te są bardziej skuteczne kiedy stosuje się je z zasilaczami wibracyjnymi. Wycięcie w okapie może ułatwić załadunek pieca. Podczas spustu okap jest zawieszany ponad kadzią co umożliwia skuteczne usuwanie dymów. - Okapy z odciągiem bocznym: Umieszczenie okapów odciągowych obok pieca umożliwia łatwy dostęp do pieca i nie koliduje z systemem załadowczym. Dzięki wysokiej skłonności gazów odlotowych do falowania uzyskuje się duże szybkości usuwania, dzięki czemu wydajność systemu jest dobra, szczególnie wtedy, gdy okap jest umieszczony na zewnątrz pomostu pieca. W tym przypadku sterowanie odciągiem gazów jest słabe podczas spustu. Zamocowanie odciągu do platformy pieca może rozwiązać ten problem, ale równocześnie może zakłócać operację ładowania pieca. Skuteczność systemu może być poprawiona przez zainstalowanie dysz powietrznych po przeciwnej stronie okapu, które wdmuchują pył i dymy do okapu. Niestety ta instalacja nie działa jeżeli występują jakiekolwiek zakłócenia strumienia powietrza, co ma miejsce podczas ładowania. - Usuwanie poprzez dziób: Nad piecem znajduje się pierścień zasysający, który jest tak umieszczony, że porusza się wraz z piecem podczas usuwania żużla i spustu. System ten nie zakłóca operacji załadunku pieca. Przy zamkniętej pokrywie, usuwanie poprzez dziób umożliwia bardzo dobrą kontrolę, ponieważ odciąg jest tak blisko źródła emisji jak to jest możliwe i dotyczy najmniejszych szybkości usuwania. Dymy nie przechodzą przez strefę, w której oddycha operator pieca. Jednak kontrola odciągania gazów spada znacznie, kiedy pokrywa pieca jest otwarta, np. podczas ładowania. Projektowanie wyposażenia do tego typu usuwania gazów jest przedmiotem wielu prac. Dostawcy oferują rozwiązania, które nie posiadają niektórych z wymienionych wad. - Odciąganie przez pokrywę: Gaz jest odciągany przez pokrywę pieca. Metoda ta jest bardzo skuteczna. Jest ona stosowana przez większość producentów pieców. Pracuje w reżimie pracy pieca: topienie, załadunek, spust. Należy zwrócić uwagę na materiały, z których zostały wykonane okapy i przewody odprowadzające, ponieważ gazy mogą posiadać wysoką temperaturę, kiedy ujęcie gazów jest umieszczone blisko pieca. Przy projektowaniu należy również uwzględnić nagrzewanie spowodowane promieniowaniem i konwekcją pochodzącą od kąpieli metalowej. Właściwa obsługa wraz z czujnikiem ciepła zmniejsza zagrożenie pojawienia się ognia Ważna role odgrywa czystość złomu. Kiedy złom zawiera substancje organiczne, temperatura wychwytywanych gazów może wzrosnąć w wyniku spalania tych gazów, co wymaga stosowania stali żaroodpornej lub nawet wyłożenia ogniotrwałego. Osady oleju utworzone w Kuźnictwo i przemysł odlewniczy 18

wyniku kondensowania się par olejów w przewodach powodują gromadzenie się pyłów i mogą stwarzać zagrożenie pożarem, jeżeli nie są usuwane regularnie. Przy stosowaniu czystego złomu, jako materiał konstrukcyjny wystarczająca jest stal miękka i nie ma potrzeby czyszczenia przewodów. Osiągnięte korzyści środowiskowe Wychwytywanie gazów odlotowych umożliwia usuwanie i obróbkę strumienia gazów, a w wyniku tego minimalizuje emisję zarówno niezorganizowaną, jak i zorganizowaną. Oddziaływanie na środowisko Stosowanie systemów wychwytywania gazów zwiększa zużycie energii. Ponadto umożliwia oczyszczanie gazów odlotowych, co z kolei powoduje powstawanie pyłów, które musza być składowane lub ponownie wykorzystane. Dane eksploatacyjne Dzięki zastosowaniu specyficznego systemu wychwytywania gazów, jakim są okapy z odciągiem bocznym, ruchome okapy oraz częściowo obudowane piece, można uzyska skuteczność wychwytywania powyżej 95%. Doświadczenia eksploatacyjne z niemieckich odlewni żeliwa wykazały, że pokrywa pieca jest otwarta średnio przez 25% czasu pracy pieca. W tym czasie wykonywane są operacje związane z emisją pyłów takie, jak wprowadzanie dodatków stopowych, usuwanie żużla i zalewanie. Zainstalowany na pokrywie piec system usuwania gazów przez dziób nie daje możliwości usuwania wytworzonych dymów. Zainstalowanie teleskopowego okapu odciągowego umożliwia skuteczne wychwytywanie gazów podczas podnoszenia pokrywy pieca. Możliwości zastosowania Instalacje do wychwytywania gazów mogą być zastosowane do wszystkich nowych i istniejących pieców indukcyjnych, zarówno w odlewniach stopów żelaza, jak i metali nieżelaznych. Powody wdrożenia Przepisy dotyczące emisji do powietrza. Zakłady referencyjne Te techniki są normalnie stosowane dla pieców indukcyjnych w Europie. Szczególnym przykładem jest Walter Hundhausen GmbH & co KG (D). Literatura [29, Batz, 1986], [18, Rademacher, 1993], [32, CAEF, 1997] 4.5.4.2. Oczyszczanie gazów odlotowych System oczyszczania gazów odlotowych z pieca indukcyjnego musi być wysoce sprawny, ponieważ cząstki w nich zawarte są małe. Do odpylania gazów odlotowych stosowane są szeroko filtry tkaninowe. Filtry tkaninowe są stosowane zamiast elektrofiltrów, ponieważ są bardziej odporne na duże zmian temperatury gazów i stężenia cząstek w gazach odlotowych. Przy stosowaniu filtrów tkaninowych trzeba zachować ostrożność ze względu na obecność olejów w złomie, ponieważ pary oleju mogą kondensować się na tkaninie filtracyjnej, Kuźnictwo i przemysł odlewniczy 19

powodując zatykanie porów i czyniąc usuwanie przywartego pyłu niemożliwym. Stwarza to również zagrożenie pożarem. Szybki wzrost straty ciśnienia w układzie gwałtownie zmniejsza wydajność systemu. Dlatego też, aby zapobiec zanieczyszczeniu stanowiska pracy, tkanina filtracyjna musi być wymieniana lub regenerowana (czyszczona) znacznie częściej, gdy stosuje się złom zaolejony. Problem ten można rozwiązać stosując tkaniny powlekane lub wdmuchując wapno do przewodów. Ponadto, jeżeli można się spodziewać zapalenia par olejowych w przewodach, to proces musi trwać na tyle długo, aby nastąpiło całkowite spalenie, zanim pary zostaną wprowadzone do instalacji oczyszczającej. Temperatura gazu nie poinna przekraczać temperatury przewidzianej dla danej tkaniny. W przeciwnym przypadku gazy powinny być chłodzone. Jeżeli chodzi o mokre skrubery, to stosuje się na ogół instalacje wysokoenergetyczne (płuczki Venturiego), ponieważ dymy metalurgiczne i węglonośne zawierają bardzo małe cząstki. Wymaga to stosowania wentylatorów o takiej mocy, aby wytworzyć w płuczce dostateczną turbulencję dla wychwycenia cząstek. Dlatego też natężenie przepływu jest utrzymywane na minimalnym poziomie przez zastosowanie systemów wychwytywania gazów charakteryzujących się najmniejsza ilością porywanego z otoczenia powietrza. W normalnych warunkach pracy korozja nie stanowi problemu. Jeżeli jednak do pieca ładowane są wióry zawierające chłodziwa, to powinno się zwrócić uwagę na fakt, że niektóre z tych cieczy mogą zawierać siarkę, która będzie tworzyć SO 2. To może stwarzać problemy jako, że absorpcja SO 2 w płuczce prowadzi do zakwaszenia wody i ewentualnej korozji instalacji, jeżeli nie stosuje się obróbki wody. W niektórych odlewniach aluminium topi się wsad odzyskany z procesu elektrolizy aluminium. W tym przypadku mogą się tworzyć nieorganiczne zanieczyszczenia, takie jak fluorowodór. Mogą one być usuwane z gazów odlotowych przez etap chemisorpcji dodany do systemu odpylania. Jako adsorbent stosuje się wodorotlenek wapnia lub tlenek aluminium. Osiągnięte korzyści środowiskowe Zmniejszenie emisji cząstek i emisji gazów kwaśnych z indukcyjnych pieców topialnych. Oddziaływanie na środowisko Oczyszczanie gazów odlotowych zwiększa zużycie energii. Odpylanie gazów odlotowych powoduje powstawanie pyłów, które wymagają składowania lub mogą być ponownie wykorzystane. Zastosowanie mokrych technik odpylania prowadzi do większego zużycia energii, ponieważ konieczne jest oczyszczanie ścieków przed spustem oraz konieczne jest składowanie lub recykling mokrego szlamu filtracyjnego. Dane eksploatacyjne Do oczyszczania wychwyconych gazów stosowane są na ogół filtry. Pozwalają one uzyskać końcową zawartość pyłów poniżej 10 mg/nm 3. Dane eksploatacyjne podane są w Rozdziale 3.2.4.1. W Tabeli 4.43 podano dane eksploatacyjne dla niemieckiej odlewni żeliwa, w której jest zainstalowany centralny system wychwytywania gazów odlotowych z odpylaniem przy pomocy filtrów workowych. System ten zbiera gazy odlotowe z różnych części odlewni, która obejmuje cztery piece indukcyjne (każdy z odciągiem poprzez dziób i okapem odciągowym), składowisko złomu i wstępne podgrzewanie, obróbkę metalu ciekłego, regenerację masy i pole zalewania form. Dane zawarte w tabeli odnoszą się do surowych gazów odlotowych z pieca topialnego, surowych gazów odlotowych mieszanych i gazów oczyszczonych. Składnik Gazy odlotowe Mieszane gazy odlotowe Gazy oczyszczone* Kuźnictwo i przemysł odlewniczy 20