Proekologiczne zamierzenia ograniczające emisję zanieczyszczeń z procesu spiekania

56 Mazur Marian Benesch Ryszard Łędzki Andrzej Bogacki Marek Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie Proekologiczne zamierzenia ograniczające emisję zanieczyszczeń z procesu spiekania 1. Emisja zanieczyszczeń z procesu spiekania Proces spiekania rud w hutnictwie żelaza i stali stanowi największe źródło emisji zanieczyszczeń pyłowo-gazowych. Podobnie przedstawia się emisja zanieczyszczeń ze Spiekalni Huty Katowice. Cechą charakterystyczną emisji zanieczyszczeń gazowych z procesu spiekania jest fakt, że o jej wielkości decyduje nie poziom stężeń zanieczyszczeń (średnie stężenia emitowanych zanieczyszczeń wynoszą odpowiednio: SO 2 =211mg/m 3, CO=3931mg/m 3, NO 2 =101 mg/m 3 ), ale przede wszystkim ogromna objętość odciąganych spalin (z jednej taśmy V = 1 914 604 m 3 /h, T=380 K). W tablicy 1, przedstawiono obliczone wskaźniki emisji SO 2, CO, NO 2 i pyłu zawieszonego. Tablica 1. Wskaźniki emisji zanieczyszczeń [kg/tonę spieku] Rodzaj zanieczyszczenia Lata Pył zawieszony SO 2 CO NO 2 1991 0.063 0.9 12.85 0.54 1992 0.037 0.64 14.1 0.21 1993 0.044 0.66 14.42 0.29 1991-93 0.048 0.73 13.79 0.35

57 Huta Katowice (HK), obok Huty im. T. Sendzimira w Krakowie (HTS), należy do największych krajowych hut surowcowych. Na rys.1 i 2 przedstawiono dla porównania wskaźniki emisji zanieczyszczeń z procesu spiekania w obu hutach. Rys.1. Wskaźniki emisji zanieczyszczeń z procesu spiekania rud w HTS i HK w 1993 r. 2 Wskaźnik emisji [kg/t spieku] 1.5 1 0.5 0 Pył SO2 NO2 HTS HK Rodzaj zanieczyszczenia Rys. 2. Wskaźniki emisji CO z procesu spiekania rud w HTS i HK w 1993 r. Wskaźnik emisji [kg/t spieku] 25 20 15 10 5 HTS HK 0 CO Jak widać, wszystkie analizowane substancje zanieczyszczające mają zdecydowanie wyższy wskaźnik emisji w HTS niż w HK. Spiekalnia HK jest obiektem zdecydowanie nowocześniejszym, co znajduje potwierdzenie w obliczonych wskaźnikach. Na rysunkach 3-5 przedstawiono w postaci diagramów wielkości stężeń SO 2, NO 2 i pyłu rejestrowane w emitowanych do powietrza spalinach ze spiekalń europy zachodniej (Austrii, Belgii, Finlandii, Niemiec Zachodnich, Wielkiej Brytanii, Włoch, Luksemburga, Holandii i Szwecji) oraz występujące w niektórych krajach poziomy stężeń normatywnych [1].

58 Rys. 3. Wielkość stężenia pyłu w spalinach z europejskich spiekalni 300 250 200 150 100 50 0 1 3 Stężenie pyłu [mg/m3] 5 7 9 11 13 15 17 19 21 Spiekalnie Wartość dopuszczalna Wartość rzeczywista Rys. 4. Wielkość stężenia SO 2 w spalinach z europejskich spiekalni 1000 Stężenie SO 2 [mg/m3] 800 600 400 200 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 Spiekalnie Wartość dopuszczalna Wartość rzeczywista Rys. 5. Wielkość stężenia NOx w spalinach z europejskich spiekalni 500 Stężenie NOx [mg/m3] 400 300 200 100 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 Spiekalnie Wartość dopuszczalna Wartość rzeczywista

59 W normatywach europejskich pominięto zupełnie emisję tlenku węgla. Uważa się, że jest to związek nietrwały (szybko utleniany do CO 2 ) i jego toksyczne działanie w zakładach przemysłowych dotyczy wybranych stanowisk pracy. Z uwagi na istotny wpływ zużycia koksiku na wielkość emisji zanieczyszczeń na kolejnym rysunku 6 przedstawiono zużycie paliwa w analizowanych europejskich spiekalniach. Rys. 6. Zużycie koksiku w spiekalniach europejskich 60 Zużycie koksiku [kg/t spieku] 50 40 30 20 10 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 Spiekalnie 2. Analiza możliwości obniżenia emisji zanieczyszczeń 2.1. Dobór surowców wsadowych W hutnictwie światowym, przy doborze surowców do spiekania rud przyjmuje się następujące zasady: - rezygnuje się w pewnym zakresie z rud tańszych (posiadających zanieczyszczenia w postaci siarki, fosforu, alkalii czy nadmiernych ilości SiO 2 ) na rzecz rud droższych, ale o minimalnej zawartości zanieczyszczeń, który to zakres nie powoduje podrożenia kosztów surówki, - ogranicza się technologicznie zużycie paliwa w spiekalniach, - wykorzystuje się ciepło odzyskowe dla ograniczenia zużycia paliwa poprzez zmiany konstrukcyjne, - w ostateczności buduje się drogie oczyszczalnie spalin. W oparciu o powyższe założenia przeprowadzono analizę możliwości stosowania w warunkach Huty Katowice różnego rodzaju surowców do produkcji spieku. W

60 tablicy 2 przedstawiono stosowane i możliwe do stosowania surowce wraz z uśrednionym za lata 1991, 1992 i 1993 ich składem chemicznym ( Fe, SiO 2, CaO, alkalia i siarka). Natomiast w tablicy 3 przedstawiono konieczne, do dalszej analizy zużycie mieszanki, kamienia wapiennego, dolomitu i koksiku wraz z obliczoną masą wnoszonej przez nie siarki. Nie wnikając w koszt pozyskania zamieszczonych w tablicy 2 surowców, uważa się, że ograniczeniu lub całkowitemu wyeliminowaniu powinny ulec te, które zawierają równocześnie wysoką zawartość siarki i alkalii. Tablica 2. Analiza chemiczna poszczególnych składników mieszanki spiekalniczej średnia za lata 1991-93 Zawartość [%] Lp. Tworzywo H 2 O Fe SiO 2 CaO S Alkalia 1 Mieszanka 7,89 61,28 6,92 2,57 0.068 0.14 2 Koncentrat GOK 9,37 64,58 8,27 0.31 0.087 0.16 3 Koncentrat. Kriwbas 8,22 65,08 7,57 0.22 0.057 0.12 4 Koncentrat Stoilenski 9,08 67,06 5,68 0.23 0.038 0.09 5 Koncentrat Liebiedieński 9,32 67,96 4,73 0.18 0.046 0.12 6 Koncentrat. Ukra. KMAR 9,37 65,78 7,08 0.26 0.057 0.11 7 Koncentrat KMA-ruda 9,23 65,83 6,92 0.25 0.060 0.12 8 Koncentrat Kowdorski * 2,82 63,26 0,93 0.67 0.036 0.07 9 Koncentrat Krzyworoski. * 9,4 65,87 6,97 0.16 0.074 0.10 10 Agloruda 57 (1993 r.) 3,81 57.44 16.50 0.16 0.046 0.15 11 Agloruda 57 4.60 56.05 17.53 0.27 0.049 0.21 12 NK RPA 2,27 65,49 3,54 0.14 0.039 0.24 13 Ruda KBF * 1,75 69,4 1,67 0.57 0.065 0.15 14 Ruda MAF * 1,2 71,1 0,8 0.22 0.025 0.06 15 Koncentrat SSF * 6,42 64,18 5,21 0.32 0.025 0.09 16 Koncentrat CBSF * 7,0 65,94 1,18 0.21 0.043 0.05 17 Koncentrat SIF * 6,61 66,45 0,82 0.58 0.048 0.02 18 Walcowina 4,43 70,04 3,05 0.98 0.035 0.07 19 Pył - 47,15 5,37 11.70 0.269 0.27 20 Żużel konwertorowy 2,97 24,28 13,7 35.60 0.091 0.07 21 Szlam 24,8 54,58 4,83 7.04 0.302 0.21 22 Kamień wapienny 1,1 0,2 0,62 54.10 0.052 0.06 23 Dolomit 4,1 1,02 0,64 31.00 0.062 0.09 24 Koksik (A=12.81%) 9,71 12,78** 38,64** 6.38** 0.698 3.83** * Stosowane sporadycznie w 1991 r. ** w popiele koksiku

61 Tablica 3. Średnie zużycie poszczególnych składników mieszanki i zawartość w nich siarki Zużycie Zawartość siarki Lp. Rodzaj tworzywa [kg/t spieku] [%] [kg/t spieku] 1993 1991-93 1993 1991-93 1993 1991-93 1 Mieszanka sezonowana 1015.2 1014.3 0.068 0.068 0.637 0.635 2 Kamień wapienny 128.8 123.6 0.042 0.052 0.054 0.064 3 Dolomit 31.3 35.73 0.055 0.062 0.018 0.021 4 Koksik 53 54.1 0.7 0.698 0.338 0.341 5 Mieszaka spiekalnicza 1474 1471.73 0.071 0.072 1.047 1.061 Zawartość żelaza w spieku i jego zasadowość Okres Fe [%] Zasadowość 1993 56.85 1.45 1991-93 56.2 1.44 Ma to związek z faktem że: - ograniczenie zawartości siarki we wsadzie wpływa bezpośrednio na ograniczenie emisji SO 2, - ograniczenie siarki i alkalii musi nastąpić ze względu na proces wielkopiecowy prowadzony przy małej masie jednostkowej żużli rzędu 250-350 kg/t surówki w zależności od bogactwa wsadu, a tym samym zawartości Fe w spieku, która przez to nie może przekraczać 56,5 %, a tylko wyjątkowo 57,5 %. Przy analizie przydatności surowców przyjęto założenia: - produkcja spieku prowadzona będzie przede wszystkim na dwóch taśmach i powinna wynosić 5,8 ml t/rok, - średnia zawartość Fe w spieku wyniesie 56,5 % z możliwością produkcji spieku o zawartości Fe w granicach od 53-58 % w zależności od potrzeb wielkich pieców,

62 - konieczność zużywania odpadów hutniczych: walcowiny, odsiewu spieku (200-250 kg/t), żużla konwertorowego, pyłów żelazonośnych z urządzeń odpylających oraz szlamów. Biorąc powyższe pod uwagę można stwierdzić, że najwięcej siarki zawierają w kolejności odpady w postaci: pyłu, szlamu i żużla konwertorowego. W żużlu konwertorowym jest jej jednak mniej czterokrotnie niż w szlamach i pyle. Obecnie stosuje się szlam i pył w ilości od 30 do 60 kg/t mieszanki. Przy wartościach skrajnych wnoszą one od 0,1488 kg S/t do 0,2976 kg S/t. Wszystkie tworzywa stosowane w namiarze wraz z koksikiem (tab. 3) wnoszą łącznie 1,061 kg S/t. Szlam i pył wnoszą zatem od 14,02 % do 28,05 % S. Żużel konwertorowy wnosi ok. 20 x 0,0883 x 0,01= 0,0177 kg S/t, co stanowi kolejne 1,65 % S. Łącznie te trzy odpady dodawane do tworzenia zwałów wnoszą od 15,67 % do 29,7 % całości siarki. Gdyby je usunąć ze wsadu można się spodziewać stosownego procentowego spadku zawartości tlenków siarki w spalinach. Ze względu na przyjęte założenia polityki ekologicznej w województwie katowickim utylizacja odpadów stałych jest równie konieczna jak ograniczenie emisji gazowych. W tym celu, aktualnie można zaproponować ograniczenie dodatku do mieszanki pyłów i szlamów w ilości nie przekraczającej 30-60 kg/t łącznie. Przy rozpatrywaniu możliwości ograniczenia siarki we wsadzie należy wykluczyć te rudy i koncentraty, które dla HK są mało dostępne i trudne do pozyskania. Dotyczy to ich ceny, pewności i odległości dostaw. W tablicy 2 oznaczono je gwiazdką: w przeciągu trzech ostatnich lat stosowane były one sporadycznie. Ze względu na technologie wielkopiecowe, spiek nie może być produkowany jedynie z tworzyw bogatych w żelazo i ubogich w S, SiO 2, Na 2 O, K 2 O. Wsad spiekalni zawierałby wprawdzie niewielkie ilości siarki, ale produkowany z niego spiek nie mógłby być stosowany w procesie wielkopiecowym prowadzonym w HK. Wielkie piece produkują w HK surówkę, która bezpośrednio musi spełniać wymogi jakości stalowni. Dotyczą one zawartości Si, Mn, P, ale głównie siarki. Surówka musi być odsiarczona w wielkim piecu bowiem HK nie posiada odsiarczalni surówki. Aby odsiarczyć surówkę w wielkim piecu masa i skład żużla muszą być odpowiednio zoptymalizowane. W przypadku stosowania spieku (wyprodukowanego jedynie z bogatych w Fe, niskosiarkowych rud i koncentratów) bogatego w Fe ilości żużla począwszy od zawartości Fe powyżej 57 %, zaczyna się zmniejszać do poziomu 250 kg/t surówki i poniżej. Żużel taki nie może związać siarki i alkalii wprowadzonych do pieca z

63 wsadem, a zatem i nie może odsiarczyć surówki. Stąd wynika, że najprostsze rozwiązanie polegające na wyborze z tablicy 3 tylko tych tworzyw do produkcji spieku, które mają niską zawartość siarki, jest niemożliwe do zastosowania. Z powyższej analizy wynika, że mieszanka spiekalnicza winna składać się głównie z koncentratów i aglorud o niskiej zawartości S tj.: - koncentratu Stoileńskiego - S śr = 0,0345 %, - koncentratu Liebiedieńskiego - S śr = 0,04 %, - rudy NK RPA - S śr = 0,038 %, - aglorudy 57, S śr = 0,05 %, - koncentratów Kriwbas, Ukraiński KMAR i KMA, w których zawartość S śr wynosi do ok. 0,055 %. Istnieją przesłanki wskazujące brak możliwości dostaw koncentratów Liebiedieńskiego i Stioleńskiego w ilościach, które pozwoliłyby dodawać je do wsadu powyżej 400 kg/t mieszanki. Sumaryczna ilość koncentratów nie może przekraczać granicy 600-620 kg/t mieszanki, ponieważ zmniejszałoby to jej przewiewność. Biorąc powyższe pod uwagę opracowano pięć wariantowych składów receptur wsadowych. Trzy pierwsze warianty opierają się na założeniu stosowania szlamów i pyłu w ilości 60 kg/t mieszanki. Warianty IV i V dotyczą stosowania w mieszance tych samych surowców żelazodajnych przy równoczesnym ograniczeniu stosowania odpadów (pyłu i szlamu), w wariancie IV całkowicie a w wariancie V do ilości łącznej 30 kg/t. Nie trudno przewidzieć, że w takim wypadku nastąpi dalsze obniżenie zawartości S we wsadzie. Należy przy tym zwrócić uwagę, że przedstawione warianty są najbardziej reprezentatywne, a w praktyce technologicznej można prawie dowolnie - bez ubocznych skutków - zmieniać masowo koncentraty i rudy: - Stoileński z Liebiedieńskim, - wszystkie koncentraty ukraińskie, - dodatek NK RPA w granicach 100 kg/t, - aglorudy w granicach od 150-215 kg/t.

64 2.2. Przygotowanie surowców Urządzenia do przygotowania surowców stosowane w Hucie Katowice są najnowocześniejsze w Polsce i spełniają również standardy światowe. Dotyczy to głównie tych urządzeń, które służą do przygotowania zwałów mieszanki, czyli wykonujące czynności towarzyszące procesom technologicznym, które nazywamy uśrednianiem i sezonowaniem mieszanki. Pod tym względem nie można uzyskać dalszej poprawy, gdyż same procesy uśredniania i sezonowania w Hucie Katowice są prowadzone na bardzo wysokim poziomie technologicznym, przy użyciu najnowszych technik. Zastrzeżenia mogą jedynie budzić czynności wykraczające poza technologiczno-techniczną stronę uśredniania i sezonowania. Wymienić tu można: - brak dokładnego ważenia i namiarowywania rud, zastosowanie którego przyczyniło by się do zwiększenia stopnia uśredniania mieszanki spiekalniczej, - brak dokładniejszego systemu ważenia składników mieszanki. - poprawę jakości stopnia przemiału koksiku i topników co oznacza również eliminację frakcji najdrobniejszych tj. rzędu 0,75 mm [2]. Pierwsze dwa w/w mankamenty mogą poprawić uśrednienie mieszanki (mniejszy rozrzut w składzie spieku), dotyczy to zwłaszcza tak ważnego składnika jakim jest FeO. Dzięki podwyższeniu warstwy do 550 mm można zmniejszyć zawartość FeO w spieku z i tak już niskiej wartości ok. 6-8 % i ustabilizować w przedziale 5-6 % bez pogorszenia własności fizycznych spieku. Stabilizacja zawartości FeO może nastąpić w wyniku poprawy naważania koksiku tj. w wyniku automatyzacji ważenia z ciągłym pomiarem wilgotności lub stabilizacji wilgotności koksiku np. podsuszanie oraz częściowo z dodatkowego wprowadzenia systemów Permagnac i Permametr. Obniżenie zawartości FeO i jego stabilizacja przyczyniają się głównie do stabilizacji zapotrzebowania ciepła w procesie spiekania, a przez to zmniejszenia zużycia koksiku o ok. 0,8 % wartości wyjściowej na każdy 1 % FeO. Oznacza to obniżenie zużycia paliwa stałego o ok. 2 kg/t spieku. Dlatego uważa się, że dość znaczny koszt przedsięwzięć poprawiających namiarowanie i ważenie przy stosunkowo niewielkim obniżeniu jednostkowego zużycia koksiku może być wprowadzany jedynie stopniowo przy remontach modernizacyjnych. Stanowi to więc wariant docelowy i przyszłościowy. To samo dotyczy automatyzacji i dodatkowych pomiarów.

65 Innym zagadnieniem jest mielenie i sortowanie tworzyw żelazodajnych, topników i koksiku. W tym zakresie wymagania światowe są następujące: - rudy; maksymalna wielkość ziarna ok. 6 mm, bowiem frakcje pylaste są zbrylane w czasie sezonowania na składowisku, - topniki do wielkości ziarn 2-3 mm, - koksik do wielkości ziarn od 1 do 3 mm, a dokładnie wymagane jest odsianie frakcji poniżej 0,75 mm i to w całości [3]. Z powyższego wynika, że przemiały i sortowanie głównie koksiku, a docelowo również topników należy w Hucie Katowice dostosować do wymogów światowych. Aby ograniczyć emisję SO 2, CO i NO 2 należy jak najszybciej wprowadzić odsiewanie frakcji koksiku poniżej 1 mm. Wiąże się to głównie ze zmniejszeniem zużycia paliwa i efektywnie prowadzonym spalaniem koksiku. Wzrost wydajności i zmniejszenie zużycia ciepła (koksiku) wynika ze zwiększenia przepuszczalności gazów przy zastosowaniu grubszego koksiku oraz ograniczenie zasięgu reakcji Boudouarda. Wzrost przepuszczalności dotyczy zarówno niespieczonej mieszanki, jak również całego procesu spiekania. Natomiast ograniczenie reakcji Boudouarda wypływa z: - lepszego dostępu tlenu do koksiku w warstwie bardziej przepuszczalnej (pełne spalanie do CO 2 ), - mniejszej reaktywności koksiku grubszego (powstrzymanie reakcji Boudouarda, powodującej przyrost CO w spalinach). Stąd otrzymuje się zmniejszenie zużycia paliwa (ciepła 1400 MJ- 1150 MJ) stałego, tj. koksiku o ok. 8,5-9,9 kg/t spieku w zależności od strat cieplnych (hermetyzacji obiegu ciepła). Tak duże obniżenie zużycia koksiku osiągnięto wychodząc z bardzo niskiej wartości jednostkowej rzędu 45-46 kg/t spieku i obniżając jednostkowe zużycie koksiku do rekordowej wartości poniżej 40 kg/t spieku. Biorąc pod uwagę już duże osiągnięcia Huty Katowice na drodze minimalizacji zużycia koksiku w styczniu 1994 roku przy udziale Fe 56,5-57,7 %, stwierdzić można, że ograniczenie frakcji koksiku do zakresu 1-3 mm (a choćby tylko powyżej 1mm, a niżej niż 4,0 mm), prowadzić może do obniżenia zużycia koksiku. Oprócz emisji siarki ograniczeniu musi ulec również emisja CO i NO 2. Przyjmując wartość jednostkowego zużycia koksiku ze stycznia 1994 roku rzędu 52-53 kg/t spieku, obniżenie zużycia paliwa wynosi ok. 23 %. W tym zakresie można się spodziewać obniżenia emisji NO x. Sumaryczna emisja

66 NO x będzie więc mniejsza, jej szacunkowy rząd sięgać może około 7 %. Natomiast w przypadku emisji CO zmniejszy się ona znacznie więcej niż o 23 %, bowiem ograniczenie emisji CO następuje dodatkowo przez większy zakres pełnego spalania jak i znacznego ograniczenia przebiegu reakcji Boudouarda. Dokładnie można to określić jedynie poprzez próby przemysłowe oraz ciągłe pomiary. Wychodząc z obecnej wartości pomiarów frakcji poniżej 1 mm określanej wg pomiarów, szacuje się ją na 40 %. Stąd przybliżone obliczenie ograniczenia emisji CO z w/w powodu można określić właśnie na ok. 40 %. W warunkach przemysłowych wydajność reakcji Boudouarda szacować należy w zakresie 0,5 wydajności teoretycznej co obniży emisję CO o 20 %. Łączny efekt obniżenia emisji CO, wynikający z odpowiedniego przygotowania wsadu, wyniesie więc 23 % obniżenia ze zużycia koksiku plus 20 % z zatrzymania reakcji Boudouarda. Obniża to aktualną emisję CO, szacunkowo o ok. 40 %. 2.3. Zmiany w technologii W zakresie zmian w technologii produkcji spieku w Hucie Katowice nastąpił bardzo duży postęp. To właśnie dzięki niemu obecnie produkuje się spieki o parametrach wg standardów światowych, a mianowicie: - zawartość Fe w spieku sięgać może nawet 58 %, - zasadowość spieku w zależności od potrzeb wielkich pieców wynosi od 1,2 do nawet 1,6, - wytrzymałość na kruszenie powyżej 75 %, - wytrzymałość na ścieranie ok. 4 %. Ponadto: - zwiększenie grubości warstwy spiekanej do 460 mm oraz wprowadzenie w II kwartale 1994 roku na taśmie nr 3 warstwy do 550 mm spowoduje zmniejszenie zużycia koksiku o 4 kg, - odzysk ciepło z chłodni spieku nr 3, które następnie jest kierowane przez okap nad taśmy oraz do ogrzewania wody dodawanej do grudkowników (instalacja pilotowa odzysku ciepła z chłodni) powoduje zmniejszenie zużycia koksiku o 6 kg, - wprowadzono oszczędne i nowoczesne piece zapłonowe (zużycie ciepła ok. 80 MJ/t spieku).

67 Stąd w zakresie technologii samego spiekania na taśmie niewiele można już poprawić. Jedynie co można spróbować, to wprowadzenie takich zmian organizacyjnotechnologicznych, które w kompleksie Wielkie Piece-Spiekalnia pozwolą na produkcję spieku o wyższej zasadowości. Głównym celem produkcji tego spieku jest całkowita eliminacja surowych topników we wsadzie wielkopiecowym, a w spiekalni obniżenie emisji SO 2. Spiekalnia produkując planowo 5,8 mln ton spieku o założonej zawartości Fe=56-56,5 %, zapewnia duży udział spieku we wsadzie wielkopiecowym. Z 5,8 mln ton spieku można wyprodukować (5,8 x 0,565) : 0,985 = 3,326 mln t surówki. Planowana produkcja surówki wynosi 3,8 mln ton, zatem 3,8-3,326 = 474 tys. ton, które musi pochodzić z grudek. Przyjmując, że będą to grudki najtańsze czyli o zawartości żelaza ok. 59,5 i SiO 2 ok. 12 % (krzyworoskie, połtawskie) ilość żelaza, którą muszą wnieść grudki wynosi 474000 x 0,94 = 445,6 tys. ton, co oznacza, że masa grudek będzie wynosiła 445,6 : 0,59 = 755,3 tys. ton. Udział zatem grudek we wsadzie można planować na poziomie (0,7553 mln ton x 100 : (5,8 + 0,7553) = 11,5 %. Oznacza to, że nawet przy stosowaniu najkwaśniejszych grudek konieczna zasadowość spieku (dla wyeliminowania surowego topnika) nie może przekraczać maksymalnie 1,3-1,4. Ponieważ do porównań taki właśnie spiek przyjmowano (1,35), oznacza to, że w HK nie można podnosić aktualnie zasadowości spieku celem ograniczenia emisji SO 2. 3. Obliczenie efektów ograniczenia emisji Z analizy przedstawionej w poprzednim rozdziale wynika, że możliwe jest ograniczenie emisji zanieczyszczeń gazowych z procesu spiekania rud. Można to osiągnąć poprzez zmiany w strukturze stosowanych surowców i lepsze ich przygotowanie, utylizację ciepła odpadowego oraz pełniejszą kontrolę i automatyzację procesu. Punktem odniesienia do obliczenia ograniczenia emisji zanieczyszczeń były dane produkcyjne spiekalni w latach 1991-1993. Dwutlenek siarki Pierwszym krokiem do ograniczenia emisji dwutlenku siarki jest ograniczenie zawartości siarki w mieszance spiekalniczej. Zaproponowano pięć wariantowych receptur mieszanki spiekalniczej, z których każdy zawiera mniejszą od średniej z lat

68 1991-1993 ilość siarki. Zastosowanie poszczególnych mieszanek do produkcji spieku spowoduje obniżenie zawartości siarki w mieszance odpowiednio: Wariant I S = 0,0611 kg/t spieku tj. 5,76 %, Wariant II S = 0,1324 kg/t spieku tj. 12,47 %, Wariant III S = 0,0838 kg/t spieku tj. 7,88 %, Wariant IV S = 0,1931 kg/t spieku tj. 18,20 %, Wariant V S = 0,1429 kg/t spieku tj. 13,46 %. Jak widać wszystkie warianty obniżają zawartość siarki we wsadzie w granicach od około 6 % do maksimum 18 %. Najwyższe efekty osiąga się ograniczając lub całkowicie eliminując z wsadu odpady (szlam i pył) - warianty IV i V, lub wykorzystując większe ilości niskosiarkowej rudy z RPA. Dalsze ograniczenie emisji dwutlenku siarki może być osiągnięte poprzez zmniejszenie ilości paliwa w mieszance spiekającej przez: - podniesienie wysokości spiekanego materiału; zmniejszenie ilości koksiku w mieszance o 4 kg/t spieku, - utylizację na taśmach ciepła z chłodni spieku; zmniejszenie ilości koksiku w mieszance o 6 kg/t spieku, - stabilizację wilgotności mieszanki (systemy pomiarowo-regulacyjne); zmniejszenie ilości koksiku w mieszance o 2 kg/t spieku. Zastosowanie w/w rozwiązań pozwoli na łączne ograniczenie koksiku w mieszance o 12 kg do wartości 40 kg/tonę spieku, obniżając zawartość siarki w mieszance o 7,36 %. Z uwagi na fakt, że zasadowość produkowanego spieku ma wynosić około 1,35, zaszła konieczność uwzględnienia tego parametru w obliczeniach emisji dwutlenku siarki do powietrza. Wykorzystano do tego wyniki prac badawczych prowadzonych w HK w latach 1991-1992 [4] oraz materiały statystyczne Huty. Korzystając z powyższej bazy danych, zweryfikowano empiryczną zależność emisji dwutlenku siarki od sumarycznej zawartości siarki w mieszance spiekalniczej i zasadowości spieku. Równanie to ma następującą postać [5]: W SO2 = 1,54 * (zasadowość) -2,33 * WPS 0,88

69 gdzie: W PS - zawartość siarki we wsadzie [kg/t spieku] W SO2 - wskaźnik emisji SO 2 [kg/t spieku] zasadowość - zasadowość produkowanego spieku. Istnieją przesłanki wskazujące, że przy specjalnym przygotowaniu koksiku do procesu spiekania (zawężenie uziarnienia do przedziału 1-3 mm) można spowodować związanie ok. 8 % siarki wsadu w spieku. Efektem tego będzie obniżenie emisji z przedziału 12-24 % do 20-32 %. Pełne dane dotyczące obniżenia emisji dwutlenku siarki przy 5-ciu wariantach wsadowych i czterech technologicznych zestawiono w tablicy 5. Tlenek węgla Ograniczenie emisji tlenku węgla może nastąpić w wyniku: - zmniejszenia zużycia paliwa o 12 kg/tonę spieku spowoduje zmniejszenie emisji CO o 23 %, - ograniczenie reakcji Boudouarda - poprzez zawężenie uziarnienia koksiku do przedziału 1-3 mm; zmniejszenie emisji CO o 20 %. Zastosowanie powyższych rozwiązań ograniczy emisję CO o około 43 %. Tlenki azotu Unoszone z taśmy spiekalniczej tlenki azotu pochodzą przede wszystkim z azotu powietrza spalania oraz azotu paliwowego. Trudno jest w tej chwili ocenić, jak dalece warunki spalania zmniejszonej ilości paliwa w podwyższonej warstwie materiału mogą wpłynąć na poziom stężenia termicznych tlenków azotu. Niewątpliwie obniżenie zużycia paliwa spowoduje obniżenie stężeń tlenków azotu paliwowych. Obniżenie emisji tlenków azotu można oszacować na około 7 %. Przedstawione efekty ograniczenia emisji zanieczyszczeń gazowych z procesu spiekania nawiązują do najnowocześniejszych rozwiązań światowych. Z punktu widzenia możliwości zastosowania ich do warunków krajowych - Huty Katowice, można podzielić je na dwie grupy: łatwe i możliwe do zastosowania szybkiego oraz trudne i możliwe do zastosowania w dalszym okresie. Z przedstawionych wariantów zestawów mieszanki wsadowej, najbardziej optymalny z punktu widzenia technologii produkcji surówki, ochrony środowiska wy-

70 daje się być wariant III. Zmiany technologiczne (Z1, Z2) są już częściowo stosowane na spiekalni. Dalsze zmiany, to konieczność zainwestowania w proces spiekania dużych środków. Obliczone wielkości emisji i wskaźników emisji przedstawiono w tablicy 4. W tablicy przy charakteryzowaniu emisji SO 2,, zaznaczono dwie wielkości: z dotychczasowych obliczeń i z efektu obliczenia emisji SO 2, przy zastosowaniu specjalnej separacji koksiku, zakładającej 8 % obniżenia emisji przez wiązanie siarki koksiku przez spiek. Możliwe jest dalsze obniżenie emisji o 7 % przez zmniejszenie zużycia koksiku do procesu spiekania. Tablica 4 Emisja zanieczyszczeń z procesu spiekania po wdrożeniu zmian z jednej taśmy Rodzaj zmian Zanieczyszczenie SO 2 CO NO 2 [kg/h] [kg/t spieku] [kg/h] [kg/t spieku] [kg/h] [kg/t spieku] Z=0 250 0.749 4595 13.778 117 0.351 Z 1 244 0.731 4228 12.676 - - Z 1+2 234 0.703 3890 11.662 111 0.333 Z 1+2+3 231 0.694 3578 10.729 109 0.326 Z 1+2+3+4 213 0.639 3292 9.871 109 0.326 Z 1+2+3+4* 198 0.594 - - - - Z=0 - Stan wyjściowy Z 1- Podniesienie wysokości warstwy spiekanego materiału Z 2 - Utylizacja ciepła z chłodni Z 3 - Stabilizacja wilgotności Z 4 - Przygotowanie koksiku (stosowanie do produkcji frakcji w przedziale 1-3 mm) 4. Ocena zasięgu oddziaływania zanieczyszczeń Obliczenia zasięgu oddziaływania emisji przeprowadzono w oparciu o model Pasquilla Do obliczeń wykorzystano obliczone na podstawie szczegółowych analiz

71 wskaźniki emisji zanieczyszczeń. Receptory obliczeniowe umieszczono w siatce prostokątnej o kroku 1000 m i zaczepionej w punkcie o współrzędnych X(0)=245 000 [m] oraz Y(0)=865 000 [m]. Analizowany obszar obejmuje powierzchnię 90 000 [m 2 ]. Analizując wielkości stężeń maksymalnych i średniorocznych powodowanych emisją z procesu spiekania można stwierdzić, że: - zarówno wielkości stężeń średniorocznych, jak i maksymalnych poza granicami strefy ochronnej huty nie przekraczają wartości dopuszczalnych dla danego zanieczyszczenia, - maksymalne stężenia poszczególnych zanieczyszczeń w powietrzu występują w sytuacji równoczesnej pracy dwóch taśm spiekalniczych, co wynika z faktu względnie najdłuższego (w stosunku rocznym) czasu pracy w w/w układzie, - stężenia maksymalne z maksymalnych (S mm ) wyliczone dla poszczególnych zanieczyszczeń przy uwzględnieniu 36 możliwych sytuacji meteorologicznych oraz rzeczywistych okresów emisji występują w granicach zakładu nie przekraczając odległości 958 m od emitora, - we wszystkich rozpatrywanych wariantach największe stężenia zanieczyszczeń występują przy prędkości wiatru 1m/s oraz stanie równowagi atmosfery 2 (chwiejna), - częstość występowania przekroczeń wartości dopuszczalnych D 30 oraz D 24 stężeń analizowanych zanieczyszczeń nie przekracza w receptorach usytuowanych poza granicami strefy ochronnej huty dozwolonych wartości tj.: 0.2 % czasu roku w przypadku D 30 oraz 2 % w przypadku D 24, - klasa oddziaływania emitora, ustalona w oparciu o kryteria zawarte w Wytycznych Obliczania Stanu Zanieczyszczenia Powietrza Atmosferycznego [9], przy założeniu że wartość tła R 30 = 0 kształtuje się następująco: dla emisji CO w każdym wariancie zmian technologicznych emitor klasyfikowany jest w 3 klasie oddziaływania, dla emisji NO 2 oraz SO 2 również dla wszystkich przewidywanych do wprowadzenia zmian technologicznych emitor klasyfikowany jest w 2 klasie oddziaływania, natomiast dla pyłu zawieszonego emitor mieści się w 1 klasie oddziaływania, - najbardziej uciążliwym dla środowiska zanieczyszczeniem emitowanym z procesu spiekania jest tlenek węgla, a w następnej kolejności dwutlenek siarki oraz dwutlenek azotu,

72 - przyjmując do obliczeń wskaźnika uciążliwości emitora dopuszczalne stężenie (D 30 ) CO na poziomie obowiązującym w Niemczech tj. 10 mg/m 3, emitor zmienia charakter z uciążliwości dużej na średnią. 5. Podsumowanie Spiekalnia Huty Katowice stanowi największy a zarazem najnowocześniejszy obiekt tego typu w naszym kraju. Odzwierciedleniem tego faktu jest również emisja zanieczyszczeń do powietrza atmosferycznego. Jest ona znacznie niższa niż w podobnej hucie surowcowej - Hucie im. Sendzimira w Krakowie. Stężenia zanieczyszczeń gazowych (SO 2, NO 2 ) w spalinach emitowanych do powietrza są znacznie niższe niż w spalinach emitowanych z spiekalń europejskich. Przyjęty program wymiany istniejących odpylaczy spowoduje, że również w emisji pyłu spiekalnia Huty Katowice znajdzie się na poziomie państw Europy zachodniej. Przy stężeniu pyłu wynoszącym około 80 mg/m 3 emisja z jednej taśmy wynosi około 93 kg/h. Emisja zanieczyszczeń gazowych (SO 2, CO, NO 2 ) z procesu spiekania może ulec obniżeniu w odniesieniu do aktualnych warunków poprzez: - specjalny dobór surowców do tworzenia mieszanki spiekalniczej; - zmiany w procesie spiekania (podwyższenie warstwy spiekanego materiału, utylizację ciepła z chłodni spieku), - zastosowanie automatyzacji systemu kontroli wilgotności i przewiewności mieszanki; - zastosowanie specjalnego mielenia i sortowania koksiku stosowanego do spiekania. Po analizie procesów technologicznych stosowanych w Hucie Katowice z uwzględnieniem czynników ekonomicznych, dobrano taki zestaw surowców, który charakteryzuje się najniższą zawartością siarki i może stanowić podstawową recepturę wsadową (wariant III). Przy bardzo niekorzystnych warunkach propagacji zanieczyszczeń (stan smogowy), produkcja spieku bez ograniczenia jej wielkości jest możliwa przy zastosowaniu w krótkich okresach czasu mieszanki sporządzonej wg wariantu IV, charakteryzującej się niższym stopniem zasiarczenia.

73 Stosowanie w/w receptury wsadowej spowoduje obniżenie zawartości siarki w mieszance wsadowej z 1,061 kg/t spieku do 0,749 kg/t spieku i maksymalnie do 0,671 kg/t spieku. Zmiany technologiczne, przewidziane do zastosowania, będą miały większy skutek w obniżeniu emisji, gdyż spowodują zmniejszenie wszystkich trzech analizowanych zanieczyszczeń. Podwyższenie warstwy spiekanego materiału oraz utylizacja ciepła z chłodni spieku mogą stanowić I etap działań na rzecz obniżenia emisji zanieczyszczeń. W wyniku wdrożenia w/w rozwiązań emisja zanieczyszczeń z jednej taśmy będzie wynosiła odpowiednio: SO 2-234 kg/h, CO - 3890 kg/h, NO 2-110 kg/h. Dalsze przedsięwzięcia technologiczne wymagają wydatkowania znacznych środków, a w wyniku ich wdrożenia (II) etap, emisja zanieczyszczeń może osiągnąć następujące wielkości: SO 2-213 - 198 kg/h, CO - 3292 kg/h, NO 2-109 kg/h. Wyspecyfikowane wartości emisji zanieczyszczeń są wielkościami bardzo niskimi w stosunku do stężeń limitowanych i rejestrowanych w spalinach emitowanych z aglomerowni pracujących w Europie Zachodniej. Literatura 1. Luengen, W. Theobald (VDEH) 22 Environmental Measures in European Sinter Plants and Blast Furnaces, European Ironmaking Congress. VDEH, Duesseldorf, Germany. 2. Official Gazette of the French Republic, 01.03.1993 ( Sofresid Conseil 5736/MF/4287 002 - P11, September 1993). 3. Beer H., Kersting K., Muler H. - "Stahl und Eisen" t.111, r.1991, nr 8, s.57-64. 4. Mazur M. i inni, Analiza procesów hutniczych i opracowanie zaleceń w celu uzyskania najmniejszej emisji zanieczyszczeń z wybranych procesów technologicznych. Prace AGH nr 6.321.11, Kraków 1992 (Niepublikowana). 5. Mazur M. Emisja związków siarki z procesów hutnictwa żelaza. Rozprawy, Monografie 37, Wydawnictwa AGH, Kraków 1995.