“Техногенная безопасность производства кокса”
В последние годы объемы выбросов, сбросов и образования отходов существенно уменьшились, что в большей степени объясняется спадом производства и в меньшей степени осуществлением природоохранных мер. Из-за разнообразия технологических процессов коксохимическое производство является одним из самых трудных для снижения негативного воздействия на окружающую среду. Основными источниками вредных выбросов в атмосферу в коксохимическом производстве является получение кокса, переработка отходящих газов и т.д.
Решение экологических проблем осложнено эксплуатацией значительного числа морально и физически устаревшего оборудования, из которого 60% эксплуатируется более 10 лет, до 20% свыше 20 лет, 10% – 30 лет. Состав выбросов характеризуется следующими данными: диоксид серы, сероводород, сероуглерод, оксид углерода, оксид железа, марганец и его соединения, свинец и его соединения, диоксид азота, аммиак, оксид азота, цианистый водород, серная кислота, сажа, сварочный аэрозоль, углеводороды предельные, различные виды пыли, углеводороды ароматические, оксид железа, марганец и его соединения, свинец и его соединения, и др. Сброс сточных вод представлен такими загрязнителями: взвешенные вещества, кальций, магний, нефтепродукты, фенолы, хлориды, сульфаты, сухой остаток, железо, нитриты, нитраты, роданиды, фосфаты, цианиды, СПАВ и др.
Отходы представлены следующими компонентами: фусы каменноугольные, кислая смолка, химически загрязненный грунт, песок, промасленная ветошь, отработанные масляные фильтры, отработанные нефтепродукты, смолы и масла механической очистки, отработанная серная кислота, кислотный остаток из хранилища серной кислоты, отработанные кислотные аккумуляторы, ил карбидный, полимеры бензольного отделения, лом огнеупоров (динас, шамот), лом цветных и черных металлов, нафталин после очистки аппаратуры, отходы абразивов, бытовые отходы, шлам известнякового отстойника, шлак литейный, коксовая мелочь, отработанные формовочные смеси, отходы упаковки, шлам ПГУ, отсев угля, породные отвалы, просыпи угля, шихты, промасленные опилки, кислая смолка цеха ректификации, кубовые остатки цеха ректификации и др. Также источником загрязнения является Украина, где развито производство черных и цветных металлов.
В настоящее время ситуация в области техногенной безопасности на Украине такова, что особую тревогу вызывает высокий уровень аварийности существующих технических объектов и недостаточные возможности в решении проблемы в решении проблемы инженерной экологии. Если в сфере оценки вредных воздействий на воду, почву, воздух, и в целом в области экологической экспертизы производств и мониторинга среды, статическом учёте количества промышленных и бытовых, а также в создании полигонов и свалок отходов имеются определённые достижения, то в направлении разработки новых экологически чистых и безопасных технологий переработки отходов , достижения и научно-техническая активность явно недостаточны.
Поэтому требуется разработка научного подхода к вопросам охраны труда, экологичности и техногенной безопасности. Заметим, что известные подходы к проблеме техногенной безопасности разрознены, порой отсутствуют научно обоснованные методики оценки и количественные критерии уровня опасности, слабо используются возможности в области компьютерных технологий, современных методов исследования и математическое моделирование.
При обосновании выбора методов и средств к разработке систем обеспечения техногенной безопасности промышленных производств одним из важных этапов является разработка количественной оценки техногенной безопасности. Необходима разработка комплексных критериев с использованием системного подхода к их формированию. Эти комплексные критерии должны отвечать ряду требований и, в первую очередь, отображать физическую сущность технологических процессов, происходящих в объекте, как при нормальном, так и при аварийном функционировании. Используя лишь один критерий невозможно учесть все вышеперечисленные требования. Таких критериев может быть несколько, каждый из которых позволял бы учесть наиболее характерную особенность.
На многих промышленных предприятиях Украины, и в частности, коксохимического профиля сложился низкий уровень техногенной безопасности Это проявляется в частых выбросах вредных веществ в окружающую среду, увеличение количества промышленных отходов, снижение уровня надёжности объектов, ухудшение здоровья населения, проживающего вблизи производств и т.д. Причинами такой ситуации являются старение основных фондов, отсутствие или медленные темпы их восстановления, низкое качество проектной документации, отсутствие должного контроля состояния объектов, средств автоматизации и защиты. Очень важной причиной является также отсутствие единых научных методов оценки и анализа техногенной безопасности объектов на стадии проектирования, что приводит к созданию техногенно опасных объектов.
Описание коксового цеха Авдеевского коксохимического завода
Технологическая схема производства кокса
Шихта из углеподготовительного цеха N-2 подаётся на угольную башню N-4, ёмкостью 5000 тонн, состоящую из двух отсеков. Нижняя часть угольной башни разделена на 12 рядов.
Из угольной башни шихта набирается в углезагрузочный вагон. После набора шихты и переезда вагона к пустой печи производится её загрузка. В цехе применяется метод бездымной загрузки при закрытых стояках. Бездымная загрузка обеспечивается гидроинжекцией аммиачной воды цикла газосборника. Время загрузки печей фиксируется в момент подачи планирной штанги в печь.
После загрузки шихта подвергается процессу коксования – нагреву до заданных температур без доступа воздуха. За время коксования происходят физико – химические превращения, харак-тер которых зависит от различных факторов. Для обеспечения хорошего качества кокса, конечная температура в осевой плоскости коксового пирога поддерживается 1050 градусов. Продолжительность коксования составляет 15 часов. Выдача кокса производится по циклическому графику.
Коксовый газ через стояки и клапанные коробки из печей поступает в газосборники. На КБ N-7,8 расположены два газосборника с машинной стороны. Для орошения газа в стояках и гидроинжекции на КБ N-7,8 применены сдвоенные форсунки.
Из подсводового пространства коксовых печей коксовый газ выходит с температурой 700-800 градусов и содержит большое количество паров, воды и смолы. В клапанных коробках стояков и в газосборниках происходит интенсивное охлаждение газа до 80-90 градусов путём орошения аммиачной водой.
Охлаждённый газ из газосборника поступает в сепаратор, где происходит отделение коксового газа от воды и смолы. Коксовый газ по газопроводу поступает на первичные газовые холодильники цеха улавливания N-2, где охлаждается до температуры не ниже 35 градусов. Эта температура является оптимальной для улавливания из коксового газа бензольных углеводородов, сероводорода, и аммиака.
Технологический процесс производства кокса заканчивается выдачей его из печей. Чтобы предотвратить горение расколённого кокса после выгрузки из печи, нужно снизить его температуру до 250-100 градусов. При этих температурах нет самовозгорания и тления кокса. В цехе применяются два способа тушения кокса : коксотушильная установка при мокром способе тушения состоит из тушильной башни и отстойников для осветления вод после тушения. Под куполом тушильной башни находится оросительная система. Над ней расположена вытяжная труба, которая служит для отвода образующихся при тушении водяных паров.
Потушенный кокс из вагона выгружается на рампу, где выдерживается для отпаровывания и избавления от избыточной влаги. Затем кокс поступает на конвейеры и транспортируется на коксосортировку .
При сухом методе, раскалённый кокс из коксовых печей выгружается в специально сконструированный вагон, который подаётся к УСТКа, где кузов вагона стягивается с лафета и доставляется подъёмником к загрузочному устройству камеры тушения. Затем производится загрузка кокса в тушильную камеру.
Тушение кокса производится циркулирующим газом, движущимся с низу в верх, на встречу опускающемуся коксу. Охлаждённый кокс до 200-250 градусов выгружается из нижней камеры на приёмную рампу, оттуда подаётся на ленточный транспортёр и направляется конвейерами на коксосортировку.
Весь поступающий кокс сортируется на 14-ти валковых грохотах, где происходит разделение кокса на два класса : +25 мм и 0-25 мм. Кокс крупности +25 мм грузится ж/д вагоны или, в случае их отсутствия, весь валовый кокс принимается в бункеры несортированного кокса. Подрешётный продукт размером 0-25 мм подаётся на вибрационный грохот, где сортируется на классы : +25 мм, 10-25 мм, 0-10 мм.
Оборудование коксового цеха
Основным технологическим оборудованием цеха являются коксовые печи. В коксовом цехе находятся в эксплуатации 2 коксовые батареи с печами большой ёмкости конструкции ГИПРОКОКСА системы ПВР (парные вертикалы с рециркуляцией продуктов горения и нижним подводом газа, воздуха и отводом продуктов горения.)
Печи характеризуются разделением регенераторов по длине на отдельные секции по числу отопительных вертикалов, расположением в стенах регенераторов вертикальных дюзовых каналов для нижнего подвода газа и наличием в основании подовых каналов отверстий для регулирования подачи воздуха по секциям регенераторов.
Печи предназначены для отопления только коксовым газом, работают по схеме парных вертикалов с циркуляцией продуктов горения в замкнутой паре. Перевалы и рециркуляционные окна расположены в нечётных распределительных перегородках. Каждый вертикал соединён косым ходом с одной секцией регенератора.
Группа из двух сопряжённых вертикалов и двух секций регенераторов является независимым элементом отопительной системы. В данном простенке в одну кантовку, горение происходит во всех нечётных вертикалах, а продукты горения отводятся из чётных вертикалов. При перекантовке направление потоков меняется. Число вертикалов в простенке равно 30. Воздух для сжигания газа забирается из нижнего тоннеля и через заборные патрубки и газовоздушные клапаны подаётся в подовые каналы.
Коксовый газ из распределительных газопроводов подаётся в коллекторы, которые расположены вдоль обогревательных простенков. На каждой стороне простенка имеется по два коллектора, один из них соединён с вертикальными дюзовыми каналами только чётных вертикалов, другой – нечётных.
Регулирование подачи коксового газа производится индивидуально для каждого вертикала снизу из обслуживающего тоннеля, изменением проходного сечения ниппеля, или калиброванной шайбы размещающегося в подводящих трубках.
В зависимости от диаметра калиброванной шайбы или ниппеля, изменяется проходное сечение. Все трудоёмкие процессы по загрузке печей шихтой, выдаче, тушению и сортировке кокса механизированы. С этой целью специально для печей большой ёмкости разработаны и изготовлены высокопроизводительные коксовые машины и механизмы.
В цехе находятся в эксплуатации следующие машины : 1. Коксовыталкиватели – 3 шт. 2. Углезагрузочные машины – 3 шт. 3. Двересъёмные машины – 3 шт. 4. Электровозы тушильных вагонов – 4 шт. 5. Коксовозные вагоны – 4 шт. 6. Грохоты 14-ти валковые – 4 шт. 7. Грохоты вибрационные 1-ИЛ-52 – 4 шт. 8. Конвейеры – 4 шт.
Оборудование установки сухого тушения кокса
На установке имеется 6 блоков, которые должны обеспечивать бесперебойное тушение кокса, вырабатываемого на батареях.
В состав каждого блока УСТКа входит : камера тушения, механизмы загрузочного и разгрузочного устройства, котёл-утилизатор, пылеосадительный бункер, соединяющий котёл с камерой тушения, два пылеулавливающих циклона, основной и резервный дымососы, трубопроводы и вспомогательное оборудование.
Котельная установка сухого тушения кокса коксовых батарей N-7,8 предназначена для выработки пара за счёт использования тепла циркуляционных газов.
Расчётная выработка пара одной камеры составляет 22-25 т/час. Давление пара равно 39 кгс/кв.см. Полученный пар направляется в паропровод высокого – 39 кгс/кв.см. и через РОУ в паропроводы среднего – 15 кгс/кв.см. и низкого-8 кгс/кв.см. давлений.
Актуальность проблемы твёрдых отходов в Украине.
Нынешняя ситуация обращения с землёй, стихийное загрязнение больших территорий разнообразными промышленными и бытовыми, твёрдыми и жидкими отходами достигло в нашей стране угрожающих масштабов. В связи с этим необходимо в ближайщем будущем создать специальную технику массовой очистки земельных угодий, полей, лесозащитных полос и посадок, обочин дорог от несанкционированных свалок различного мусора. Это позволит противостоять тенденциям опасного накопления мусора, его стихийного сжигания, самовозгорания, попадания огромных количеств образующихся токсических веществ в атмосферу, реки и водоёмы.
Особенно трудной проблемой являются твёрдые бытовые отходы (ТБО), которые представляют собой крайне нестабильную неконтролируемую смесь бумаги, картона, пищевых остатков, пластмассы, резины, стекла, строительного мусора, металлов, батареек и другого. Предварительная сортировка ТБО городским населением и коммунальными службами в Украине практически не проводится. Механическая сортировка ТБО технически сложна и пока не находит широкого применения. Прямая переработка или сжигание огромных количеств отходов технически весьма проблематична, экологически опасна и экономически неэффективна. Поэтому потребуется неотложное решение проблемы ТБО при обеспечении наиболее экономически и экологически эффективного их использования и переработки с получением полезной продукции.
Существует два основных метода переработки ТБО: механико-биологический и термический
К механико-биологическим методам относятся: компостирование отходов после предварительной сортировки: механизированная сортировка, сушка и уплотнение отходов для экологически безопасного их захоронения на специальных полигонах; сортировка отходов, производимая в основном населением, и распределение их (стекла, металла, полимеров, бумаги) по предприятиям переработки вторичных материалов
Термические методы включают: сжигание отходов, преимущественно их бумажно-полимерных компонентов, которое производится в установках с колосниковыми решётками или в топках с кипящим слоем; пиролиз, представляющий высокотемпературное разложение отходов (выше 600 градусов) без доступа кислорода во вращающихся трубчатых печах с получением полукокса и горючего газа; газификация отходов, позволяющая преобразовывать их органическую часть в синтез-газ, который применяют для химического синтеза; комбинированные термические методы, сочетающие полукоксование с последующим сжиганием или пиролиз с последующей газификацией.
Анализ этих технологий не даёт уверенности в том, они могут быть эффективно реализованы в ближайшие годы в сложившихся в Украине условиях по многим причинам, среди которых можно выделить следующие: относительно малая производительность таких отходоперерабатывающих предприятий, несопоставимая с нарастанием обьёмов твёрдых углеродистых промышленно-бытовых отходов и тем более с уже накопленными их залежами; необходимость огромных материальных и финансовых ресурсов на сооружение десятков таких предприятий, обеспечивающих необходимые масштабы переработки; отсутствие подготовленных кадров для освоения и эксплуатации предприятий с новыми для Украины технологиями; высокая стоимость и сложность систем очистки дымовых газов с учётом высоких современных требований техногенной безопасности; проблематичность получения экономической прибыли из-за высокой стоимости переработки.
Принципиальный вывод в результате такого анализа заключается в том, что проверенные и эффективные на Западе технологии мусоропереработки и мусоросжигания не могут в наших условиях быстро и эффективно разрешить столь масштабную и запущенную проблему. Следует искать альтернативные и максимально эффективные возможности переработки отходов, которые наилучшим образом будут учитывать сложившуюся в Украине ситуацию.
Проблема твёрдых углеродистых отходов может быть эффективно решена на базе весьма развитой в Украине коксохимической промышленности. Почти половина населения Украины и более 2/3 запасов и источников углеродистых отходов находятся на территории, где сконцентрировано около полутора десятков коксохимических предприятий. Эти предприятия, особенно в условиях постепенного сокращения производства кокса, могут стать хорошей базой для развития новой мусороперерабатывающей промышленности на основе коксохимической отрасли. Наиболее важные принципы такого подхода к проблеме твёрдых углеродистых отходов в Украине :
– основа предлагаемой технологии – термолиз органической части отходов, протекающий герметичных камерных наклонных термолизных печах. При нагреве исходного сырья происходит его термическая деструкция с образованием твёрдого термолизного топлива и смеси летучих веществ. Процесс отличается гибкостью и управляемостью за счёт возможности совместного использования нескольких управляющих факторов.
– технология обеспечивает комплексный характер переработки широкого спектра углеродистых промышленных и бытовых отходов. Твёрдые и жидкие компоненты отходов в различных пропорциях в зависимости от их свойств и химического состава смешивают на стадии полготовки сырья для получения исходных компаунд-смесей требуемого качества.
– на стадии проектирования промышленного комплекса предполагается более высокий уровень требований к безопасности технологических агрегатов в сравнении с известными в коксохимической промышленности. Улавливание и химическая переработка всех летучих продуктов термолиза во многом обеспечивает экологические преимущества технологии.
– использование отходов в качестве дешёвого органического сырья с получением полезной продукции при условии вовлечения инфраструктуры и кадров коксохимзаводов наряду с решением экологических проблем делают технологию экономически выгодной и создающей социальный эффект.
Технология имеет такую последовательность основных операций : сортировка исходного сырья с извлечением крупных включений, металлов, стекла, керамики и частично полимеров; измельчение, дозирование и смешение компонентов с получением композиций требуемого состава и свойств; загрузка смеси в термолизный агрегат, её прессование и продвижение в обогреваемую часть агрегата; термолиз смеси с получением твёрдого термолизного топлива и летучих химических продуктов, которые перерабатываются методами, аналогичными для коксохимических предприятий; сжигание твёрдого термолизного топлива в топках с кипящим слоем с утилизацией тепла дымовых газов в котлах и получением электроэнергии, подача золошлаковых остатков сжигания топлива в производство строительных материалов.
Загрузка смеси, её прессование, термолиз и сжигание полученного твёрдого термолизного топлива происходят в едином термолизном агрегате. Процесс термолиза протекает в замкнутом пространстве герметичной камеры наклонной темолизной печи (НТП) с двухсторонним обогревом. Печи компонуются в батареи, аналогичные традиционным коксовым батареям с хорошими теплотехническими характеристиками и возможностью использования проверенных в коксовом производстве и энергетике эффективных и надёжных элементов и узлов конструкций и систем.
Основная стадия процесса переработки – термолиз смесей промышленно-бытовых отходов, который протекает при слоевом нагреве спрессованного сырья до оптимальных температур. Возможности управления процессом значительно шире, чем при традиционном коксовании, так как управляющими факторами, кроме температурного режима, являются давление уплотнения, состав перерабатываемых смесей промышленно-бытовых отходов, объёмная плотность сырья и величина порции разовой загрузки, скорость продвижения спрессованной массы, гидравлический режим в камере и температура летучих продуктов термолиза.
В данном процессе сжигается только твёрдый углеродистый остаток термолиза исходного сырья – твёрдое термолизное топливо (ТТТ), содержащее в основном золу и углерод, а выделяющиеся летучие вещества поступают на улавливание и химическую переработку. Свойства полученного ТТТ аналогичны полукоксу – коксу из низкосортных, высокозольных углей. Это топливо отличается высокой пористостью, преобладанием мелких классов крупности и содержит незначительное остаточное количество летучих веществ. Сжигание в кипящем слое такого облагороженного и бездымного топлива в нагретом до 900-950 градусов состоянии создает хорошие условия для устойчивого ведения процесса горения при минимальном образовании Nox и оксидов серы.
Сжигание твёрдого термолизного топлива в низкотемпературном кипящем слое представляется наиболее эффективным для такого низкокалорийного, пористого и сравнительно низкоплотного топлива, чем сжигание на колосниковой решётке, прежде всего из -за более высокой интенсивности такого процесса.В зоошлаковых отходах при стабильном процессе сжигания ТТТ оказываются связанными тяжёлые металлы, а образующиеся дымовые газы значительно менее токсичны и их объём значительно меньше, чем при прямом сжигании эквивалентных количеств твёрдых бытовых и промышленных отходов.
Эвакуация парогазовых летучих продуктов в процессе термолиза осуществляется на горячую сторону, то есть через слои нагретого сырья к греющим стенкам НТП. При этом происходит дополнительное разложение смолистых веществ и содержащихся в летучих углеводородов с отложением пироуглерода, образующегося при температурах выше 500-650 градусов, на поверхности слоя ТТТ. Поскольку нагреваемое сырьё находится в спрессованном состоянии, оно одновременно является фильтрующим слоем, сводящим к минимуму унос даже самых мельчайших пылевидных фракций летучими продуктами в условиях скоростного нагрева. В результате этого термолизный газ содержит значительно меньшее количество пылевидных фракций по сравнению с газом от прямого сжигания отходов. Это благоприятно сказывается на работе газоотводящей и улавливающей аппаратуры.
Прямые газовые выбросы из камер термолиза в атмосферу при загрузке и выгрузке агрегата полностью исключены. В процессе работы загрузка агрегатов осуществляется порциями сырой рабочей смеси из герметичного бункера в герметичные камеры прессования. Спрессованные порции постоянно находятся в камере прессования и создают дополнительный гидравлический затвор, предотвращающий движение газов термолиза из камеры агрегата в бункер и к прессующе – проталкивающему устройству.
Важнейшие отличия предлагаемой технологии от всех известных заключается в следующем:
1. Процесс термолиза осуществляется в батареях, состоящих из нескольких (более 72) термолизных печей. Такая компоновка на 30-40% снижает удельные капитальные затраты и повышает термический КПД установок;
2. Переработке подвергаются смеси, в состав которых входят ТБО, промышленные отходы угледобычи и углеобогащения, коксохимического производства, другие жидкие органические отходы, что позволяет получать требуемый усреднённый состав и нужное качество исходной смеси;
3. Новая технология обеспечивает существенное уменьшение объёма вредных газовых выбросов в атмосферу при сжигании твёрдого термолизного топлива благодаря удалению летучих продуктов термолиза на химпереработку. Кроме того, происходит снижение токсичности дымовых газов, упрощение схемы их очистки, что значительно улучшает экологичность процесса. Особенности процесса таковы, что образование веществ группы диоксинов является минимальным по сравнению с подобными процессами термической переработки промышленных и бытовых отходов, реализация новых технических решений обеспечивает полное разрушение этих супертоксикантов. Важным техническим достоинством данной альтернативной технологии является возможность переработки старых свалок ТБО с рекультивацией освободившихся площадей.
Выводы
Проведённый анализ техногенной безопасности коксового производства, на основе фактических данных за длительный период работы коксовых цехов, позволяет сделать основные выводы работы.
Характер коксового производства, связанного с периодической загрузкой угольной шихты и выдачей кокса; конструкции коксовых батарей, имеющие обслуживающие площадки, троллеи для подвода энергии к коксовым машинам, а также габариты коксового цеха и интенсивность процесса являются объективным техногенным фактором, создающим значительную техногенную нагрузку на персонал и окружающую среду.
Другим важным фактором является неудовлетворительное состояние основных фондов предприятий, отсутствие или медленные темпы их восстановления; отсутствие должного контроля состояния объектов, средств автоматики и защиты, а также отсутствие единых научных методов оценки и анализа техногенной безопасности объектов на стадии проектирования, что приводит к созданию техногенно опасных объектов.
3.Основное количество несчастных случаев обусловлено человеческим фактором и тяжёлыми условиями труда, поэтому нужно стремиться к минимизации участия человека в производственном процессе.
4.Метод “ТЭРО” по своей структуре и характеру организации процесса лишён многих недостатков, характерных для коксового производства, а именно:
– меньшее участие человека в производственном процессе;
– отсутствие разгерметизации камер термолиза при загрузке и выгрузке;
– отсутствие обслуживающих машин.
Перечень ссылок
1. Ларичев О.Н. Проблема принятия решений с учётом факторов риска и безопасности// Вестник АН СССР,-1987. № 11-с. 38-46.
2. Ризун В., Коваленко А. Факторы риска в сосуществовании человека и природы.//Бизнес Информ.- 1999.- № 3-4.
3. Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів/Збірка доповідей 1-ї Міжнародної наукової конференції аспірантів та студентів. Т.2-Донецьк: ДонНТУ, ДонНУ, 2002.-204 с.
4. Г.О. Власов, В.І. Саранчук, В.М. Чуїщев, В.В. Ошовський.Системний аналіз коксохімічного виробництва./ДонНТУ.-Донецьк: “Східний видавничий дім”,2002.-296 с.
5. Економіка природокористування і охорони довкілля // Зб. наук. праць міжнар. наук.-прак. конф. по управлінню відходами “Техноресурс-2000”. – Київ: РВПС Укр. НАН України, 2000.-200 с.
6. Das Duale System auf der EXPO 2000 – Koeln: Hannover: Press Information, 2000. – 32 S.
7. Парфенюк А.С. Крупномасштабная комплексная переработка твёрдых углеродистых промышленных и бытовых отходов // Кокс и химия.-2001.-№ 5.-с. 41-44.
8. Парфенюк А.С., Антонюк С.И., Топоров А.А. // Проблеми природокористування, сталого розвитку та техногенної безпеки: Матеріали Міжнар. наук.-практ. конф., Дніпропетровськ, 2001. – с.238-240.
9. Парфенюк А.С., Веретельник С.П., Кутняшенко И.В. Проблема создания промышленных агрегатов для переработки твёрдых углеродистых отходов. Возможности её решения // Кокс и химия.-1999.-№ 3.-с.40-44.