Природоохранные мероприятия, направленные на снижение воздействия предприятия по литейному производству на окружающую природную среду

Вопросы защиты окружающей среды сегодня обсуждаются на высшем уровне. Каждая страна заинтересована в том, чтобы обеспечить благоприятные условия для обитания человека и минимизировать вред, наносимый промышленными предприятиями. Ужесточение экологических норм — необходимые меры, которые применяются во всем мире для снижения вредных выбросов в атмосферу. Перед всеми промышленниками рано или поздно встает вопрос о переходе на современные экологичные методы производства.

Литейное производство — один из главных источников загрязнения атмосферы среди промышленных предприятий. При традиционном литье на каждую тонну отливок из сплавов черных металлов выделяется около 50 кг пыли, 250 кг окиси углерода, 1,5−2 кг окиси серы. Кроме того, это производство связано с выбросом твердых отходов, которые тоже загрязняют окружающую среду. Отработанные формовочные и стержневые смеси относятся к 4-й категории опасности и составляют 90% общих отходов. Их регенерация — весьма дорогая процедура, поэтому перед сталелитейными предприятиями возникает задача перейти на менее вредное для окружающей среды производство.

1. Общие сведения о предприятии.

1.1 Характеристика производственных процессов предприятия.

Литейное производство — отрасль машиностроения, занимающаяся изготовлением фасонных деталей и заготовок путём заливки расплавленного металла в форму, полость которая имеет конфигурацию требуемой детали.

После того, как металл в форме затвердеет, получается отливка, которая представляет собой заготовку или деталь. Фасонные изделия широко применяют в таких отраслях, как металлургия, машиностроение, строительство и т. д.

По необходимости отливки получают различной массы, которая может достигать до нескольких сотен тонн. Их форма также имеет огромное разнообразие. За основу фасонного изделия берут различные материалы, например, существуют отливки из чугуна, стали, цинка, магния, сплавов меди и алюминия и т. д.

Особенно актуально и эффективно применение отливок с целью получения фасонных изделий, имеющих сложную конфигурацию. Этот метод в данном случае представляет собой уникальный способ тогда, когда невозможно или нецелесообразно с точки зрения экономии изготавливать другими способами обработки металлов (сваркой, давлением, резанием). Также этот вариант получения отливок применяют для получения изделий из малопластичных металлов и сплавов.

И удивителен тот факт что несмотря на всё разнообразие приемов литья, которые сложились за достаточно длительный период развития технологии, схема самого процесса изготовления отливок практически не изменилась. А прошлого без малого более чем 70 веков его развития. И до сих пор, как и в былые времена, этот процесс включает в себя четыре основных этапа. Первый представляет собой плавку металла, далее его сменяет изготовление формы, затем осуществляется заливка жидкого металла в форму, и конечный этап — это извлечение затвердевшей отливки из формы.

Процесс литейного производства многообразен и подразделяется:

· по способу заполнения форм — на обычное литьё, литьё центробежное, литьё под давлением;

· по способу изготовления литейных форм — на литьё в разовые формы, литьё в многократно используемые керамические или глиняно-песчаные формы, называемые полупостоянными, и литьё в многократно используемые, так называемые постоянные металлические формы.

В процессе литья, при охлаждении металл в форме затвердевает и получается отливка — готовая деталь или заготовка, которая при необходимости (повышение точности размеров и снижения шероховатости поверхности) подвергается последующей механической обработке. В связи с этим перед литейным производством стоит задача получения отливок, размеры и форма которых максимально приближена к размерам и форме готовой детали.

Для изготовления отливок в разовых песчаных формах необходима специальная литейная оснастка, от конструкции и качества которой в значительной мере зависит качество и трудоемкость производства литья. Литейная оснастка по своей роли в процессе изготовления отливок подразделяется на формообразующую (основную) и универсальную (вспомогательную).

Формообразующая оснастка представляет собой модельный комплект, в который входят: модели, стержневые ящики, элементы литниковой системы, модельные плиты, шаблоны для изготовления форм и стержней. Модель — приспособление для получения внутренних рабочих поверхностей в литейной песчаной форме, которые после заполнения расплавом образуют отливку.

Плавят металл в зависимости от вида сплава в печах различного типа и производительности. Наиболее часто литейный чугун выплавляют в вагранках, применяют также электрические плавильные печи (тигельные, электродуговые, индукционные, канального типа и др.). Получение некоторых сплавов из чёрных металлов, например белого чугуна, ведут последовательно в двух печах, например в вагранке и электропечи.

Электродуговая печь загружается болванками, металлоломом, сплавами металлов и флюсом. Дуга, расплавляющая металл, возникает между тремя электродами и шихтой. Поверхность расплавленного металла покрыта шлаком с флюсом для недопущения окисления, фришевания металла и защиты верхней части печи от перегрева. По завершении процесса электроды поднимаются, а печь наклоняется для выливания готового сплава в ковш.

Заливку форм сплавом осуществляют из заливочных ковшей, в которые периодически поступает сплав из плавильного агрегата. Затвердевшие отливки обычно выбивают на вибрационных решётках или коромыслах. При этом смесь просыпается через решётку и поступает в смесеприготовительное отделение на переработку, а отливки — в очистное отделение. При очистке отливок с них удаляют пригоревшую смесь, отбивают (отрезают) элементы литниковой системы и зачищают заливы сплава и остатки литников. Эти операции проводят в галтовочных барабанах, дробеструйных и дробемётных установках. Крупные отливки очищают гидравлическим способом в специальных камерах. Обрубку и зачистку отливки осуществляют пневматическими зубилами и абразивным инструментом. Отливки из цветных металлов обрабатывают на металлорежущих станках. Для получения необходимых механических свойств большинство отливок из стали, ковкого чугуна, цветных сплавов подвергают термической обработке. После контроля качества литья и исправления дефектов отливки окрашивают и передают на склад готовой продукции.

1.2 Характеристика сырья и материалов.

Чугун, сталь, латунь и бронза — традиционные для литья сплавы. В крупнейшем секторе литейной промышленности производятся отливки из серого чугуна и чугуна с шаровидным графитом. В цехах по производству серого чугуна используется передельный чугун для изготовления стандартных чугунных отливок. В цехах по производству чугуна с шаровидным графитом в ковши с расплавленным металлом перед его разливкой добавляются магний, церий или другие присадки (часто называемые ковшовыми присадками).

Остальную часть литейного сектора черной металлургии занимает производство стали и ковкого чугуна. В последние годы в литейном производстве используются титан, хром, никель, магний и даже такие высоко токсичные металлы как бериллий, кадмий и торий.

Хотя можно предполагать, что металлолитейная отрасль возникла при переплавке материала в виде болванок или чушек, процессы литья чугуна и стали на крупных установках могут быть настолько интегрированными, что деление становится менее очевидным. В обычном чугунолитейном производстве переплавка чушкового чугуна включает в себя и рафинирование. В литейном производстве цветных металлов подчас требуется добавление металлов и других веществ, что составляет процесс легирования.

1.3 Технологическое оборудование, машины и агрегаты.

В литейном производстве используется следующее основное оборудование: электродуговые печи, заливочные ковши (стальковш), вибрационные решетки, галтовочных барабанах, дробеструйных и дробемётных установках (очистное отделение).

Дуговая сталеплавильная печь — электрическая плавильная печь, в которой используется тепловой эффект электрической дуги для плавки металлов и других материалов.

Дуговая сталеплавильная печь (ДСП) состоит из рабочей ванны (плавильного пространства), регулятора мощности дуги и вспомогательных технологических механизмов, позволяющих открыть (закрыть) свод печи, скачать шлак и слить металл. Регулятор мощности дуги представляет собой механизм перемещения электродов с приводом, управляемый программно-адаптивным регулятором электрического режима.

Плавку стали ведут в рабочем пространстве, ограниченном сверху куполообразным сводом, снизу сферическим подом и с боков стенками. Огнеупорная кладка пода и стен снаружи заключена в металлический кожух. Съёмный свод может быть набран из огнеупорных кирпичей, опирающихся на опорное кольцо, а может быть из водоохлаждаемых панелей, как и стенки. Через три симметрично расположенных в своде отверстия в рабочее пространство введены токопроводящие электроды, которые с помощью специальных механизмов могут перемещаться вверх и вниз. Печь обычно питается трёхфазным током, но есть печи постоянного тока. Современная мощная дуговая печь используется преимущественно как агрегат для расплавления шихты и получения жидкого полупродукта, который затем доводят до нужных состава и степени чистоты внепечной обработкой в ковше.

В современные печи шихту загружают сверху при помощи загрузочной бадьи (корзины). Для предохранения подины от ударов крупными кусками шихты на дно бадьи загружают мелкий лом. Для раннего шлакообразования в завалку вводят известь 2−3% от массы металлической шихты. После окончания завалки в печь опускают электроды, включают высоковольтный выключатель и начинают период плавления.

После периода расплавления в печи образуется слой металла и шлака. Шлак скачивают через шлаковую летку (рабочее окно), постоянно присаживая шлакообразующие, в течение всего периода плавления, с целью удаления фосфора из расплава. Шлак вспенивают углеродсодержащими материалами для закрытия дуг, для лучшей его скачиваемости и уменьшения угара металла.

Выпуск готовой стали и шлака в стальковш осуществляется через сталевыпускное отверстие и жёлоб путём наклона рабочего пространства (или, если печь оборудована вместо жёлоба донным выпуском, то через него). Рабочее окно, закрываемое заслонкой, предназначено для контроля за ходом плавки (замер температуры металла и отбор пробы химического состава металла). Также рабочее окно может использоваться для подачи шлакообразующих и легирующих материалов (на малых печах).

2. Характеристика производственных процессов, как источников загрязнения окружающей среды.

2.1 Характеристика производственных процессов, как источников загрязнения атмосферы.

Антропогенные источники первичного пылеобразования возникают в результате следующих процессов:

— механическая обработка различных веществ (дробление, шлифование, резание);

— транспортировка сыпучих материалов (погрузка, просеивание, перемешивание);

— тепловые процессы и процессы горения (сжигание, сушка, плавление);

— износ и разрушение веществ.

Основными источниками загрязнения атмосферы в литейном производстве являются плавильные агрегаты, шихтовый двор, участки подготовки формовочных и стержневых смесей, разлива металла и очистки литья.

Удельные выделения на 1 т готовой продукции загрязняющих веществ в электродуговых пёчах при выплавке стали или чугуна составляют:

пыль ~ 7,6— 9,9 кг/т;

СО ~ 1,2—1,5 кг/т;

NO_x ~ 0,26—0,29 кг/т;

диоксид серы — 1,6 г/т;

цианиды — 28,4 г/т;

фториды — 0,56 г/т.

В процессе приготовления формовочных смесей в процессах сушки, дробления, помола и смешения их компонентов выделяется пыль до 0,15 кг/т. Дополнительное выделение загрязняющих веществ имеет место в случае применения для сушки стержней и форм жидкого или твердого топлива. При использовании формовочных смесей холодного твердения, содержащих фенолформальдегидную смолу, выделяются: СО, бензол, фенол, формальдегид, метанол. Из карбамидной смолы выделяются: СО, формальдегид, метан, цианиды, аммиак. Извлечение отливок из песчано-глинистых форм и освобождение их от отработанных формовочных смесей производится с помощью специального оборудования и сопровождается выделением пыли, горелой земли и окалины в количестве до 30 кг/т отлитого металла.

2.2 Характеристика производственных процессов, как источников образования сточных вод и загрязнения водотоков.

Вредное воздействие машиностроения на поверхностные воды обусловлено большим водопотреблением (около 10% общего водопотребления в промышленности) и значительным загрязнением стоков, которые подразделяются на пять групп:

с механическими примесями, в том числе и гидроксидами металлов; с нефтепродуктами и эмульсиями, стабилизированными ионогенными эмульгаторами; с летучими нефтепродуктами; с моющими растворами и эмульсиями, стабилизированными неионогенными эмульгаторами; с растворенными токсичными соединениями органического и минерального происхождения.

На первую группу приходится 75% объема сточных вод, вторую, третью и четвертую — еще 20%, пятую группу — 5% объема.

Сточные воды в литейном производстве образуются при орошении газоочистного оборудования, охлаждении оборудования, закалке изделий, промывке травленных деталей и характеризуются повышенной температурой, содержанием химических веществ (свинец, хром, кадмий, спиртовые компоненты, эфироальдегидные фракции, щелочи, кислоты, фенолы), а также высоким содержанием взвешенных веществ.

2.3 Характеристика производственных процессов, как источников образования отходов.

Твёрдые отходы литейного производства содержат до 90% отработанных формовочных и стержневых смесей, включая брак форм и стержней; также они содержат просыпи и шлаки из отстойников пылеочистной аппаратуры и установок регенерации смесей; литейные шлаки; абразивную и галтовочную пыль; огнеупорные материалы и керамику. Основные массовые отходы литейного производства представлены отработанными формовочными песками (ОФП) и ваграночными шлаками (ВШ), которые на большинстве предприятий выбрасываются в отвалы, выводя из эксплуатации полезные земли и загрязняя окружающую среду.

3. Разработка экологических нормативов предприятия.

3.1 Расчет выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.

1.Определение валового выброса загрязнителей.

1.1.Опредление количества дисперсных и газообразных загрязнителей:

М_i = m_i•N, г/сут (1).

где m_i — удельный выброс загрязнителей, г/ед.гот.продукции (ед.обрабат.сырья); N — производительность предприятия, ед/сут.

М_пыль = 18•10³•800 = 14 400•10³ г/сут;

М_СО = 1,1•10³•800 = 880 000 г/сут;

М_NOx = 1,2•10³•800 = 960 000 г/сут;

М_SO2 = 0,8•10³•800 = 640 000 г/сут;

М_HF = 0,1•10³•800 = 80 000 г/сут.

1.2.Интенсивность источника загрязнения:

G_i =, г/м³ (2).

G_пыль = = 166,66 г/с;

G_СО = = 10,18 г/с;

G_NOx = = 11,11г/с;

G_SO2 = = 7,407 г/с;

G_HF = = 0,926 г/с.

1.3.Концентрация дисперсных загрязнителейв устье трубы:

С_Тi =, г/м³ (3).

где — объемный расход газового выброса, м³/с.

С_Тпыль = = 12,81 г/м³.

1.4.Объемный расход каждого газообразного загрязнителя в общем потоке:

W_i =, м³/с (4).

где — плотность газообразного загрязнителя при заданной температуре, кг/м³.

=•, кг/м³ (5).

где — плотность газообразного загрязнителя при нормальных условиях, кг/м³;

t — температура газового выброса, °С.

Справочные данные по газообразным загрязнителям.

W_NOx = = 0,011 м³/с;

W_SO2 = = 0,005 м³/с;

W_CO = = 0,017 м³/с;

W_HF = = 0,0021 м³/с.

1.5.Процентное содержание загрязнителя в общем потоке загрязнения (%):

С_i^% =, % (6).

С_NOx^% = = 0,084 об.%;

С_SO2^% = = 0,038 об.%;

С_CO^% = = 0,13 об.%;

С_HF^% = = 0,016 об.%.

Определяем объемное содержание газа-носителя:

%_ГН = 100 —, % (7).

%_ГН = 100 — = 99,732 об. %.

1.6.Определяем концентрацию газообразных загрязнителей в устье трубы:

С_Ti =, г/л (8).

где м — молекулярная масса загрязнителя, г/моль.

С_TNOx = = 0,172 г/л •10⁶ = 0,172•10⁶ мг/м³;

С_TSO2 = = 0,108 г/л •10⁶ мг/м³;

С_TCO = = 0,162 г/л •10⁶ мг/м³;

С_THF = = 0,14 г/л •10⁶ мг/м³.

2.Определение параметров газа-носителя.

2.1.Объемный расход газа-носителя:

W_ГН =, (9).

W_ГН = = 12,96 м³/с.

2.2.Определяем плотность газовой смеси:

кг/м³ (10).

= 0,695 кг/м.

Плотность газа-носителя при заданной температуре:

кг/м³ (11).

= 0,614 кг/м³.

2.3.Определяем вязкость пылегазовой смеси:

з₀ =, Па•с (12).

где? динамическая вязкость i-го компонента газа-носителя, Па•с;

? температура деструкции вещества, К.

з₀ =.

=.

= 16,81•10^-6, Па•с.

2.4.Вязкость пылегазовой смеси при заданной температуре:

з_t = з₀ • •, Па•с (13).

з_t = 16,81•10^-6 • • = 13,032•10^-6, Па•с.

2.4.Определение максимальной приземной концентрации:

С_m =, мг/м³ (14).

где, А — климатологический параметр (ОНД-86, А=140).

m — параметр, отвечающий за теплофизические свойства газового выброса:

m =, (15).

где f — теплофизический параметр:

f = 10³•, м/с²•°С (16).

где? диаметр устья, м;

Н — высота, м.

= Т — Т_air ,°С (17).

где Т_air — температура окружающей среды (СНиП 23.01−99 «Строительная климатология». Абсолютная максимальная температура выброса теплого периода).

= 300 — 36 = 264 °C.

f = 10³• = 0,056 м/с²•°С.

m = = 1,21.

n — параметр, отвечающий за гидравлические условия истечения и зависит от.

V_m =0,65•, м/с (18).

V_m =0,65• = 1,82 м/с.

Если V_m? 0,3, то n =3 (неблагоприятные условия рассеивания);

V_m = 0,3ч2, то n =3- (средние условия);

V_m > 2, то n =1.

Так как V_m = 1,82, то n =3- =1,035.

F — параметр, отвечающий за скорость осаждения примеси. F = 1ч3.

С_mпыль = = 0,177 мг/м³;

С_mСО = = 0,0108 мг/м³;

С_mNOx = = 0,011 мг/м³;

С_mSO2 = = 0,0078 мг/м³;

С_mHF = = 0,98 мг/м³;

2.5.Определение максимального значения приземной концентрации при неблагоприятных условиях:

С_mu = R•С_m, мг/м³ (19).

?1, то R = 0,67• + 1,67• - 1,34• ,.

> 1, то R =, где.

? минимальная из средних скоростей ветра, м/с;

? критическая скорость ветра, м/с.

Значение связано с V_m:

если V_m? 0,5, то=0,5 м/с;

V_m = 0,5ч2, то = V_m;

V_m > 2, то =V_m•(1+0,12•), м/с.

Так как V_m = 1,82, то = V_m=1,82.

R = 0,67• + 1,67• - 1,34•.

> 1, то R = = 0,77.

С_mu ^пыль= 0,77•0,177 =0,136 мг/м³;

С_mu ^CO= 0,77•0,0108 =0,0083 мг/м³;

С_mu ^NOx= 0,77•0,011 =0,0084 мг/м³;

С_mu ^SO2= 0,77•0,0078 =0,6 006 мг/м³;

С_mu ^HF= 0,77•0,98 =0,754 мг/м³.

2.6.Определние предельно допустимых концентраций загрязнений в устье трубы:

С_ТМi =, мг/м³ (20).

ПДК основных загрязняющих веществ:

С_ТМпыль = = 0,97 мг/м³;

С_ТМCO = = 0,0032 мг/м³;

С_ТМNOx = = 0,55 мг/м³;

С_ТМSO2= = 0,32 мг/м³;

С_ТМHF= = 0,13 мг/м³.

ПДВ_i =, г/с (21).

ПДВ_пыль = = 141,29 г/с;

ПДВ_CO = = 4709,76 г/с;

ПДВ_NOx = = 80,06 г/с;

ПДВ _SO2 = = 470,97 г/с;

ПДВ_HF = = 18,83 г/с.

Результирующая таблица по разделу.

Вывод: 1. При сравнении максимальной приземной концентрации (С_m) с максимально разовой предельно допустимой концентрацией (ПДК_МР) было установлено, что у всех загрязнений максимальная приземная концентрация соответствует нормативу. Исключение составляет пыль. Это значит, что санитарно-защитная зона не выполняет свои функции в достаточной мере и условия рассеивания по пыли необходимо изменять.

2.Сравнивая значение максимальной приземной концентрации при неблагоприятных климатических условиях (С_mu) с предельно допустимой концентрацией среднесуточной (0,1•ПДК_СС), было установлено, что данное требование не соответствует установленным нормативам по таким веществам: пыль, NO_x, SO₂ и HF. Вклад в загрязнение будет составлять: пыль =13,6.

NO_x = 2,1.

SO₂ = 1,2.

HF = 1,5.

3.При сравнении концентрации загрязнений в устье трубы (С_Тi) с разрешенной концентрацией (при выполнении условий рассеивания) (C_TMi) установлено, что по всем загрязнениям условия не выполняются и вклад в загрязнение рабочей зоны составляет: пыль = 132 061 855,67.

СО = 506 250.

NO_x = 30 909 090,9.

SO₂ = 337 500.

HF = 17 069 230,76.

Требуются индивидуальные методы защиты рабочих.

4.Также было установлено, что валовый выброс загрязнителя не соответствует предельно допустимому выбросу лишь по загрязнителю — пыль. Результат был получен при сравнении интенсивности источника загрязнения (G_i) с предельно допустимым выбросом данного вещества (ПДВ_i). Необходимы мероприятия по снижению валового выброса пыли.

3.2 Условия сброса сточных вод в бытовую систему канализации.

1.Определение количества и качества образующихся сточных вод.

Источниками образования сточных вод являются системы с использованием водных процессов очистки — абсорбер, хемосорбер.

1.1.В общем случае количество сточных вод будет определяться:

Q = W_gL • 10^-3, м³/с (22).

где W_gL — массовый расход поглотителя, м³/с.

Суммарное количество образующихся сточных вод:

Q_? = Q₁ + Q₂, м³/с (23).

где Q₁ — расход сточных вод от абсорбера,.

Q₂ — расход сточных вод от хемосорбера, м³/с.

Q₁ = 23,32 • 10^-3 = 0,2 332 м³/с = 2014,848 м³/сут.

Q₂ = 23,32 • 10^-3 = 0,2 332 м³/с = 2014,848 м³/сут.

Q_?= 2014,848 +2014,848 = 4029,696 м³/сут.

1.2.Концентрация растворимых загрязнений в сточных водах:

С_ех^HF = 0,7 149 кгHF/м³сточных вод С_ех^NO2 = 0,7 149 кгNO₂/м³сточных вод.

Допустимая концентрация фторидов в сточных водах для сброса в бытовую систему канализации равна нулю. Поэтому данные сточные воды будут подвергнуты ионному обмену и возвращены в оборот.

С_SO3 = 1080 • (1−0,7) = 324 мг/м³ = 0,324 мг/л.

Сброс в БСК невозможен, так как С_i> ДК_i. Требуется установка локальных очистных сооружений (по NO₃^-).

3.3 Расчет нормативов образования отходов и лимитов на их размещение.

1.Источником образования отходов в системе очистки воздуха являются: циклон и рукавный фильтр.

Масса сыпучих отходов:

М =(С₁-С₂)•W•3600•24, т/сут (24).

где С₁ — исходная концентрация загрязнений, г/м³;

С₂ — конечная концентрация загрязнений, г/м³;

М₁ =(12,81−2,62)•13•3600•24 = 11,43 т/сут М₂ = (2,62−0,034)•13•3600•24= 2,9 т/сут.

2.Лимиты на размещение отходов.

Для сыпучих отходов лимит на размещение будет определяться емкостью места хранении (10−20 лет).

W =, м³ (25).

М = (М₁ + М₂)•Т•10^-3, т Т=10•365 = 3650 сут М = (11,43 + 2,9)•3650•10^-3 = 52,3 т Общий объем емкости: W_общ = W•1,25, м³.

W_общ = 52,3•1,25 = 65,38 м³.

Габаритные размеры полигона:

F_общ =, м² (26).

F_общ = =43,58 м².

Площадь одной секции F_1сек = 100 м² (ручное обслуживание). Количество секций:

n_сек = = = 0,43=1.

4. Разработка технологических мероприятий, направленных на снижение влияния загрязняющих веществ на состояние окружающей среды.

4.1 Литературный обзор.

В литейном производстве проблема предупреждения выделения вредностей, их локализации и обезвреживания, утилизации отходов является особенно острой. Для этих целей применяется комплекс природоохранных мероприятий, включающий использование:

— для очистки от пыли — искрогасителей, мокрых пылеуловителей, электростатических пылеуловителей, скрубберов (вагранки), тканевых фильтров (вагранки, дуговые и индукционные печи), щебёночных коллекторов (дуговые и индукционные электропечи);

— для дожигания ваграночных газов — рекуператоры, системы очистки газов, установки низкотемпературного окисления СО;

— для уменьшения выделения вредностей формовочных и стержневых смесей — снижение расхода связующего, окисляющие, связующие и адсорбирующие добавки;

— для обеззараживания отваловустройство полигонов, биологическая рекультивация, покрытие изоляционным слоем, закрепление грунтов и т. д.;

— для очистки сточных водмеханические, физико-химические и биологические методы очистки.

Из последних разработок обращают на себя внимание созданные белорусскими учеными абсорбционно-биохимические установки очистки вентиляционного воздуха от вредных органических веществ в литейных цехах производительностью 5, 10, 20 и 30 тыс. куб.м./час. Эти установки по совокупным показателям эффективности, экологичности, экономичности и надёжности в эксплуатации значительно превосходят существующие традиционные газоочистные установки.

Все эти мероприятия связаны со значительными затратами. Очевидно, следует прежде всего бороться не с последствиями поражения вредностями, а с причинами их возникновения. Это должно быть главным аргументом при выборе приоритетных направлений развития тех или иных технологий в литейном производстве.

4.2 Обоснование технологической схемы и расчет необходимого оборудования для очистки газовых выбросов.

Для очистки газового выброса от литейного производства принимаем следующую технологическую схему: циклон марки ЦН 24, рукавный фильтр ФР-518, насадочный абсорбер с седлами «Инталокс», хемосорбер.

1. Расчет и конструирование циклонов.

1.1. Задаемся типоразмером циклона и определяем его диаметр.

м (27).

где? объемный расход газового выброса, м³/с;

— оптимальная скорость потока в циклоне, м/с;

? число секций в циклоне.

Циклон марки ЦН 24.

Диаметр циклона =1,962 м.

1.2. Принимаем ближайшее большее значение стандартного диаметра и пересчитываем рабочую скорость: D_ст=2000 мм.

?? =, м/с (28).

?? == 4,14 м/с.

1.3. Полученное значение скорости не должно более чем на 15% отличаться от оптимальной: 0,85 ч 1,15.

3,825 ч 5,175.

1.4. Определяем коэффициент гидравлического сопротивления циклонов:

.

?поправочный коэффициент на диаметр циклона;

?поправочный коэффициент на исходную запыленность;

— коэффициент гидравлического сопротивления циклона с диаметром 500 мм.

?поправочный коэффициент, учитывающий группировку циклона.

=76.

1.5.Определяем потери давления в циклоне:

Па (30).

где — плотность газа-носителя при заданных условиях, кг/м³;

— рабочая скорость, м/с.

= 399,9 Па.

? 2500 Па.

399,9 Па? 2500 Па.

1.6.Определяем диаметр частиц, удаляемых в циклоне на 50%.

мкм (31).

где ,-плотность частиц, диаметр частиц, удаляемых на 50%, динамическая вязкость газового потока, полученные по справочным данным.

=1930 кг/м³;

=22,2 • 10^-6, Па•с;

=8, 5 мкм.

=3,84 мкм.

1.7.Определяем параметр осаждения Х:

(32).

где? дисперсность осаждаемых частиц;

— дисперсность частиц, зависящая от типа циклонов.

= 0,23.

Ф (Х) = Ф (0,23) = 59,095%.

1.8.Эффект очистки: з = = 79,55%.

Расчетное значение степени очистки газа в циклоне невелико. Проектируемый аппарат пригоден для предварительной очистки газового выброса от примесей. 1.9.Концентрация загрязнителя после циклона:

С_вых = С_вх • (1- з) = 12,81 • (1−0,7955) =2,62 г/м³.

1.10.размеры сооружения:

Внутренний диаметр выхлопной трубы d: 0,59.

Внутренний диаметр пылевыпускного отверстия d₁: 0,3…0,4.

Ширина входного патрубка b в циклоне: 0,2.

Ширина входного патрубка b₁ на входе: 0,26.

Длина входного патрубка l: 0,6.

Высота установки фланца h₁: 0,1.

Высота входного патрубка h₂: 0,48.

Высота выхлопной трубы h₃: 1,56.

Высота цилиндрической части h₄: 2,06.

Высота конической части h₅: 2,0.

Высота внешней части выхлопной трубы h₆: 0,3.

Общая высота циклона h₇: 4,38.

2. Расчет процесса фильтрации.

2.1.Принимаем марку и типоразмер фильтра, тип загрузки, способ регенерации.

К расчету принят рукавный фильтр типа ФР-518 со следующими техническими характеристиками:

площадь фильтрующей поверхности 518 м²;

число секций 6 шт;

число рукавов в секции 72 шт;

высота рукава 3 м;

пропускная способность до 3,33 м³/с;

гидравлическое сопротивление в рабочем состоянии 1600 Па;

удельная нагрузка 0,016 м³/м²•с.

Способ регенерации — встряхивание.

Эффект очистки 98,67…96,67%.

2.2.Определяем площадь рабочей поверхности фильтрации:

f_WR =, м² (33).

где — расход газового выброса, м³/с;

— количество газа на регенерацию, м³/с;

— максимальная удельная нагрузка, м³/м²•с.

f_WR = = 812,5 м².

2.3.Общее количество фильтров:

N_WR =, шт (34).

N_WR = = 1,56? 2шт.

2.4.Концентрация загрязнений после фильтрации:

С_вых = С_вх • (1- з) = 2,62 • (1−0,9867) =0,034 г/м³.

3. Конденсация.

1.Исходные данные: температура отбросного газа 200 °C давление 0,1 МПа массовый расход газа 9,657 кг/с с_см^t = 0,9973•(1,29•) +0,268•(0,265•) = 0,7429 кг/м³.

W_g = W•с_см^t = 13•0,7429 =9,657 кг/с.

W_g = W_{g air} = 9,657 кг/c.

W_v =, м³/с.

W_v^air = 13 м³/с.

2.Задаемся типом хладоносителя и температурными интервалами:

температура конденсации — воздух — 40 °C.

общее давление 0,1МПа Температура начала конденсации t_с = 0,1•40 = 4 °C =277К К расчету принят хладоноситель: Фреон 30.

Задаемся начальной и конечной температурой хладоносителя:

t' = - 5 °C.

t'' = t'+ 10 = -5 +10 = 5 °C.

3.Определяем количество тепла в I зоне:

Q₁ = (W_{g air} •C_ра) • (t_а — t_в), Вт (35).

где C_р — удельная теплоемкость воздуха, Дж/кг•с.

Q₁ = (9,657 •1005) • (200 — 25) = 1 698 424,875 Вт.

4.Определим температуру хладоносителя на границе двух зон:

t_в = +, °С (36).

t_в = + = -5 °С.

5.Температурные напоры для каждой зоны:

?t =, °С (37).

где = t_a — t'' = 200 — 5 = 195.

= = t_b — t_bc = 0 +10 = 10.

= t_c — t' = 25+5 = 30.

?t^I = =143,41 °С.

6.Поверхности теплообмена:

f₁ =, м² (38).

где К₁ — коэффициент теплопередачи: 20ч50 Вт/м²•К.

f₁ = = 236,86 м².

Принимаем кожухотрубчатый конденсатор с неподвижной трубной решеткой, диаметром кожуха 800 мм (труб 20Ч2). Поверхность теплообмена 240 м² при длине труб 6 м. Количество ходов — 4, количество труб — 638.

5. Расчет характеристик процесса абсорбции.

5.1 Определение равновесных и рабочих характеристик процесса абсорбции.

Температура 25 °C Давление газов на входе в абсорбер атмосферное Концентрация фторидов в газовой смеси 140•10^-6 кг/м³.

Расход отбросных газов 13,0 м³/с Процесс изотермический Удаление бензола будет производиться до ПДК_МР.

ПДК^HF_МР = 0,02 мг/м³ = 0,02 •10^-6 кг/м³.

В качестве абсорбента принимаем воду при температуре 25 °C.

Коэффициенты молекулярной диффузии при н.у. для фторгидрида в воздухе? D^G_С6Н6 = 9•10^-6 м²/с и в жидкости? D^L_С6Н6 = 1,8•10^-9 м²/с.

1.Определяем необходимую степень очистки:

• 100% = 99,98%.

2.Определяем расходы (массовые и объемные) всех ингредиентов при н.у.

Массовый расход фторидов на входе в абсорбер:

W_вg = 13 • 140•10^-6= 0,1 820 кг/с.

Концентрация фторидов в объемных процентах:

С_вg = = 0,1 568%.

Плотность отбросного воздуха на входе, а абсорбер:

с_ва = + = 1,2899 кг/м³.

Массовый расход отбросных газов на входе:

W_вgа = 13 • 1,2899 = 16,76 924 кг/с.

Массовый и объемный расходы воздуха:

= 16,76 924 — 0,182 = 16,767 422 кг/с.

= = 12,9 980 019 кг/с.

Определяем концентрацию фторидов на выходе в объемных процентах:

С_ey = = 0,224%.

Объемный расход отбросных газов на выходе:

W_evа = = 12,998 002 м³/с.

Плотность отбросных газов и фторидов на выходе при н.у.:

с_еа = + = 1,289 кг/м³.

Массовый расход отбросных газов на выходе:

W_еgа = 12,998 002 • 1,289 = 16,7 544 248 кг/с.

Массовый расход фторидов на выходе:

W_еgа = 16,754 424 — 16,767 422 = 0.

3.Производительность абсорбера по фторидам (количество фторидов, поглощаемое, а абсорбере). Поток массы фторидов из газовой фазы в жидкую.

j_HF =.

1) 0,182 — 0 = 0,182.

2) 16,76 924 — 16,75 442 = 0,1 482.

Определяем поток массы улавливаемых фторидов в кмолях :

= = 0,91 кмоль/с.

4.Представляем концентрации загрязнителя в относительных мольных (Y_n, X_n) концентрациях:

Y_nв = = 0,157 кмольHF/кмоль возд.

Y_gв = = 0,108 кгHF/кмоль возд.

Y_ne = = 0 кмольHF/кмоль возд.

Y_ge = = 0 кгHF/кмоль возд Линия равновесия фторидного раствора при изотермическом процессе будет представляться прямой.

утилизация отход установка пылегазоочистка.

Y=m•X,.

где m = 99,99%=0,9999.

= = 0,157 кмольHF/кмоль воды.

Выразим максимально возможную равновесную концентрацию в массовых единицах:

= = 0,174 кгHF/кг воды.

Определяем теоретический минимальный расход воды:

= = 10,459 кг/с.

Определим технический расход поглотителя:

W_gL = 10,4597 • 2,23 = 23,32кг/с.

Найдем действительную конечную концентрацию фторидов в воде:

Х_g = + 0 = 0,78 кгHF/кг воды.

переведем в кмоль:

Х_n = + 0 = 0,7 024 кмольHF/км воды.

Равновесная концентрация фторидов в отбросном газе:

= 0,9999 • 0,7 024 = 0,7 023 кмольHF/км возд.

Построим равновесную и рабочую характеристики абсорбции (в мольном и массовом выражении):

5.Определяем движущие силы абсорбции:

5.1. ?Y_gh = 0,108 — 0,77 = 0,3 кгHF/кг возд.

Y_{gв eq} =0,9999 • 0,78 = 0,77 кгHF/кг возд.

5.2 ?Y_gl = 0- 0= 0 кгHF/кг возд.

Средняя движущая сила абсорбции равна:

?Y_gm =.

?Y_gm = 0,3 кгHF/кг возд.

?Y_nm = = 0,435 кмольHF/кмоль возд.

6.Принимаем для очистки воздуха насадочный абсорбер с седлами «Инталокс» высотой 50 мм (h) и следующими параметрами:

Эквивалентный диаметр загрузки D_eq = 0,027.

Пористость е = 0,079 м³/м².

Площадь поверхности загрузки f_v = 118 м²/м³.

Насыпная плотность с_н = 530 кг/м³.

А=0,58.

В=1,04.

7.Определим среднюю плотность отбросных газов:

с_y = = 1,28 945 кг/м³.

Средний массовый расход отбросных газов:

W_gG = = 16,76 183 кг/с.

Вычислим конечную объемную концентрацию фторидов в поглотителе:

С_ех = = 0,7 149 кгHF/кг сточн.вод.

8.Определим среднюю скорость газового потока:

= 0,58 — 1,04 •.

??_h = 5,51 м/с.

Принимаем скорость рабочего потока равной = 2 м/с.

9.Определим средний объемный расход газа в колонне:

W_VG = = 12,999 м³/с.

10.Определяем диаметр колонны:

D = = 2,87 м.

Принимаем стандартный диаметр колонны 3000 мм и пересчитываем рабочую скорость потока:

= = 1,83 м/с.

11.Определяем площадь орошения:

с_iR = = 0,185 м³/м² • с.

Площадь поперечного сечения абсорбера: f = = 7,065 м².

Минимально возможная площадь орошения:

с_l = 118 • 2,2 • 10^-5 = 0,0026 м³/м² • с.

Так как с_l > с_iR, то коэффициент смачиваемости насадки (ш) равен 0,7.

0,0026 >0,185.

12.Определим коэффициент диффузии фторидов в воздухе и в жидкости:

D_G = 9 • 10^-6 = 10,26•10^-6 м²/с.

D_L = 1,8 • 10^-9 = 1,8 • 10^-9 м²/с.

13.Вычислим критерий Рейнольдса для газовой среды:

Re_G = = 4383,03.

Диффузионный критерий Прандтля:

P_{R DG} = = 1,39.

Определяем критерий Нюссельта для абсорберов с неупорядоченной насадкой:

Nu_DG = 0,407 • 4383,03^0,665 • 1,39^0,33 = 119,83.

Коэффициент массоотдачи газовой фазы:

в_y = = 0,0455 м/с.

14.Определяем критериальные параметры для жидкой фазы:

Re_L = = 178,85.

P_{R DL} = = 541,9.

Nu_DL = 0,0021 • 178,85^0,75 • 541,9^0,5 = 2,39.

в_х = = 1,87•10^-5 м/с.

Приведенная толщина жидкой пленки: д = = 2,3•10^-4 м.

в_ny = 0,0455 кмольHF/м²•с (кмольHF/м³ газ. среды) в_nх = 1,87•10^-5 кмольHF/м²•с (кмольHF/м³ жид. среды).

15.Вычисляем средние массовые концентрации загрязнителя в газовой и жидких средах:

С_my = = 70,01 кмольHF/м³ газ. среды С_mх = = 0,0357 кмольHF/м³ жид.среды.

Представим коэффициенты массоотдачи в кмолях фторидов, отнесенных к единичным движущим силам в соответствующих фазах (выраженных в относительных мольных долях):

в_ny/?Yn = = 0,002 кмольHF/м²•с (кмольHF/кмоль возд.).

в_nх/?Хn = = 0,95 кмольHF/м²•с (кмольHF/кмоль воды) Представим коэффициенты массоотдачи, отнесенных к единичной движущей силе в массовых долях:

в_ny/?Yg = = 0,0029 кмольHF/м²•с (кг/кгHF возд.).

в_nх/?Хg = = 0,85 кмольHF/м²•с (кг HF /кг жид. среды).

Представим коэффициенты массоотдачи, отнесенных к единичным движущим силам в кг фторидов (выразив их в массовых долях):

в_gy/?Yg = 0,0029 • 20 = 0,058 кгHF/м²•с (кгHF/кг возд.).

в_gх/?Хg = 0,85 • 18 = 0,153 кгHF/м²•с (кгHF/кгводы).

16.Коэффициенты массопередачи в газовой и жидких средах:

К_gG = = 0,038 кгHF/м²•с (кгHF/кг возд.).

К_nG = = 0,35 кмольHF/м²•с (кмольHF/кмоль возд.).

m_n = = 2,23.

m_g = = 1,38.

17.Определяем требуемую поверхность массообмена:

f = = 5877,01 м².

f ^` = = 1596,49 м².

5.2 Определение габаритных параметров абсорбера.

Принимаем поверхность массообмена равную 5877,01 м² и по ней определяем общую высоту загрузки:

Н = = 9,07 м.

Один ярус загрузки максимально может составлять h = 3 м. Максимальное количество ярусов в аппарате n = 2−3.

Принимаем к расчету 3 яруса с высотой 3 м.

Расстояние между ярусами составляет 2 м.

Общая высота колонны 19 м.

6. Расчет характеристик процесса хемосорбции.

1.Исходные данные: температура 25 °C давление 0,1 МПа С_а^NOx = 0,0017 кг/м³.

С_ey = 0,085 • 10^-6 кг/м³.

W_eva = 12,998 м³/с.

2.Составляем уравнение химической реакции и определяем стехиометрические коэффициенты:

2NO₂ + Na₂CO₃ + H₂O = 2NaNO₃ +CO₂ + H₂O + Q.

a=2.

b=1.

c=2.

3.Определяем скорость химической реакции:

щ =, м/с (39).

где — давление в системе, МПа;

— коэффициент молекулярной диффузии загрязнителя в жидкости, м²/с;

— коэффициент молекулярной диффузии загрязнителя в воздухе, м²/с;

— концентрация реагента в жидкой фазе, кгNO₂/кг воды;

— коэффициент распределения;

— коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, м/с;

— коэффициент массоотдачи в воздухе, м/с.

m =, кмоль NO₂/МПа•м³Н₂О.

log = 9,705 — = 9,705- = 3,25.

= 1778, 28.

m = = 0,56 • 10⁶ кмоль NO₂/МПа•м³Н₂О щ = = 0,85 м/с.

4.Критическая концентрация реагента в жидкой фазе:

С_ВСR =, кмоль/м³ (40).

С_ВСR = = 6,43 • 10⁸ кмоль/м³.

5.Определяем движущую силу абсорбции:

j = j_n • н_м • с₀, МПа/с (41).

j = 0,91 • 22,4 • 0,1=0,0002 МПа/с.

6.Необходимая площадь массообмена:

f = = 239,5 м².

7. Определение габаритных параметров абсорбера.

Принимаем поверхность массообмена равную 239,5 м² и по ней определяем общую высоту загрузки:

Н = = 0,41 м.

Один ярус загрузки максимально может составлять h = 3 м. Максимальное количество ярусов в аппарате n = 2−3.

Принимаем к расчету 2 яруса с высотой 0,205 м.

Расстояние между ярусами составляет 2 м.

Общая высота колонны 8,4 м.

7.1 Утилизация сточных вод от установок пылегазоочистки.

Абсорбер и хемосорбер, как элементы пылегазоочистного оборудования, являются основными источниками образования сточных вод. Полученные стоки от абсорбера, содержащие фториды, подвергаются ионному обмену (либо сорбции) и возвращаются в оборот. Сточные воды, полученные от процесса хемосорбции выпускаются в канализацию хозяйстнно-бытовых стоков, после предварительной очистки на локальных очистных сооружениях.

7.2 Утилизация отходов от установок пылегазоочистки.

Пылегазоочистное оборудование является источником образования отходов, таких как шлак. Эти отходы собираются и складируются на специально отведенных для этого полигонах.

8. Экономика природопользования.

1.Определение платы за загрязнение окружающей среды (утилизацию отходов) до проведения природоохранных мероприятий:

П_i = Б_нi • М_лi • К_и • К_э + 5• Б_нi • М_слi• К_и • К_э, руб/год (42).

где Б_нi — базовый норматив стоимости сброса одной условной тонны загрязняющих веществ, р/т в ценах 2005 г.

М_лi — масса загрязняющих веществ (отходов) в пределах установленных лимитов, т/год;

К_и — коэффициент индексации (1,67);

К_э — коэффициент экологической ситуации;

5 — коэффициент платы за сверхлимит;

М_слi — масса сверхлимитного загрязнения, определяется как:

М_слi = (С_фi — С_лi), т/год. (43).

Плата за выброс загрязняющих веществ в атмосферу:

П_пыль = 41 • 4455,72 • 1,67 • 1,5 + 5 • 41 • 798,17• 1,67 • 1,5= 867 504,97 руб/год П_СО = 0,6 • 148 526,99• 1,67 • 1,5 + 0 = 223 236,06 руб/год П_NO2 = 52• 2524,77 • 1,67 • 1,5 +0 = 329 976,82 руб/год П_SO2 = 26 • 14 852,509 • 1,67 • 1,5 + 0 = 967 343,96 руб/год П_HF = 205 • 593,82 • 1,67 • 1,5 + 0 = 304 942,89 руб/год.

?П= 2 693 004,7 р/год..

2.Определение платы за загрязнение окружающей среды после реализации природоохранных мероприятий:

Плата за сброс загрязняющих веществ в поверхностные и подземные водные объекты:

П_NO3 = 6,9 • 0,7 354 • 1,67 • 1,12 + 5 • 6,9 • 52,562 646• 1,67 • 1,12= 3391,89 руб/год П_SO3 = 145 • 367,709• 1,67 • 1,12 + 0 = 99 725,62 руб/год.

?П= 103 117,51 руб/год.

Расчет платы за размещение отходов:

П_{сыпучие отх.} = 0,3 • 745,4 • 1,3 • 0,0065 • 1,67 = 3,15 руб/год.

?=103 120,66 руб/год..

3.Определение ущерба от загрязнения окружающей среды до проведения природоохранных мероприятий:

У = М_сл • ?? • К_и • К_э, (44).

где ??_вода = 400 р/т;

??_воздух = 42 р/т.

У^пыль = 798,17•42•1,5•111•0,8•1,67 = 7 457 021,35 р/год.

4.Определение ущерба после проведения природоохранных мероприятий:

У ^NO3 = 52,562 646•400•1,12•111•0,8•1,67 = 3 492 083,9 р/год.

5.Определяем суммарные затраты на компенсацию последствий загрязнения окружающей среды до проведения природоохранных мероприятий:

У_tot =, (45).

У_tot = 2 693 004,7 + 7 457 021,35 = 10 150 026,05 р/год.

6. Определяем суммарные затраты на компенсацию последствий загрязнения окружающей среды после проведения природоохранных мероприятий:

У_tot = 103 120,66 + 3 492 083,9 = 3 595 204,56 р/год.

7.Определение затрат на проведение природоохранных мероприятий:

П_рi = Е_н • К + Э, р/год, (46).

где Е_н — коэффициент окупаемости, год^-1;

Е_н =, (47).

— период окупаемости (5−6 лет).

Э_з — эксплуатационные затраты, определяются про формуле:

Э = Э_уд • Q'_год, (48).

где Э_уд — удельные эксплуатационные затраты, определяется по табл.

Q'_год — годовая производительность очистных сооружений:

Q'_год = 1,25 • Q_год. (49).

К — суммарные капиталовложения на строительство:

К = k_уд • Q'_год, р/год (50).

К_уд — удельные капитальные затраты, р/м³. Зависит от вида сооружения:

П_рi = 0,166 • 399 718 800 + 3 587 220 000 = 3 653 573 320,8 р/год,.

Е_н = = 0,166.

Q'_год = 1,25 • 13• 3600•24•365 = 512 460 000 м³/год Э = 7 • 512 460 000 =3 587 220 000.

К = 0,78 • 512 460 000 = 399 718 800 р/год.

8.Определение эффективности природоохранных мероприятий:

е = ?У¹_tot —? У²_tot — П_{рi ,} (51).

е = 10 150 026,05 — 3 595 204,56 — 3 653 573 320,8 = -3 647 018 499,3 р/год Так как величина, определяющая эффективность природоохранных мероприятий, оказалась отрицательной, можно сделать вывод, что применение рассчитанной ранее технологической схемы по очистке пылегазового выброса в таком объеме применять невыгодно.

Заключение.

Курсовой проект представляет собой разработку природоохранных мероприятий направленных на снижение воздействия предприятия по литейному производству, расположенного в г. Пскове на окружающую природную среду.

Для снижения воздействия выбросов на атмосферу в качестве очистного оборудования предложено применять циклон, рукавные фильтры, абсорбционную и хемосорбционную очистки. Для снижения воздействия предприятия на водные объекты, следует установить локальные очистные сооружения для очистки сточных вод (ионообменные колонны).

Для снижения воздействия на почву, в результате образования отходов, необходимо их складировать в специально отведенных местах или использовать в производстве.

Применение данных природоохранных мероприятий позволяет снизить ущерб, наносимый окружающей природной среде. Но также все эти мероприятия связаны со значительными затратами. Очевидно, следует прежде всего бороться не с последствиями поражения вредностями, а с причинами их возникновения. Это должно быть главным аргументом при выборе приоритетных направлений развития тех или иных технологий в литейном производстве.